Titre : OPTIQUE SUB-LONGUEUR D`ONDE PAR

Titre : OPTIQUE SUB-LONGUEUR D’ONDE PAR PLASMON DE SURFACE
Auteur : Christian Girard
Laboratoire : CEMES/CNRS
Adresse 29 rue Jeanne Marvig, 31055 Toulouse Cedex
email [email protected]
Préambule : Aux fréquences optiques, les plasmons polaritons de surface sont des
modes propres électromagnétiques liés à une interface diélectrique–métal. Le champ
des plasmons polaritons de surface décroits exponentiellement en fonction de la
distance à l’interface. Les caractéristiques spectrales dépendent fortement des tailles et
des formes des nanostructures qui les soutiennent. Les recherches fondamentales sur le
confinement du champ électromagnétique par couplage de plasmons associés à des
nanoparticules, sur les plasmons de fils de sections très étroites ou de minces rubans
métalliques ont déclenché la tendance, de plus en plus affirmée au niveau international,
vers le développement d’une technologie optique miniaturisée basée sur les plasmons
de surface, baptisée “plasmonique”. Le principal attrait de la plasmonique est que la
même circuiterie métallique peut transporter des charges électriques et des champs
électromagnétiques aux fréquences infra-rouges et visibles, soulevant ainsi un espoir
raisonnable de parvenir à intégrer sur cette circuiterie des composants d’optique
miniaturisée activés électriquement. Les propriétés des plasmons de surface sont
également invoquées dans divers scénarios de développement de nouvelles méthodes
de stockage optique d’informations numérisées, de dispositifs optiques
superfocalisants, ou de nouvelles générations de nanocapteurs dont le principe repose
sur l’adressage optique de volume de tailles inférieures à la longueur d’onde incidente,
ouvrant ainsi des perspectives concrètes à l’adressage de systèmes nano–optiques
moléculaires.
I) SIMULATION NUMERIQUE DES DISPOSITIFS PLASMONIQUES
Dans une première phase nous avons adapté notre programme GREEN3D pour aborder la
simulation des phénomènes d’optiques en géométrie confinée. A partir des moyens offerts par CALMIP
et grâce au supercalculateur SOLEIL, divers processus ont fait l’objet d’études spécifiques à partir de
courtes simulations effectuées en mode ESSAI. Il s’agit des études préliminaires suivantes :
- Prédiction et simulation de dispositifs pour le contrôle de la densité d’états de photons
(optical corrals).
- Mises en évidence du transfert d’énergie lumineuse par des systèmes de section sublongueur d’onde intégrés en géométrie co-planaire (filtre passe-bande, bifurcation, ….)
- Simulation de la propagation de « plasmons-polaritons » de surface. Ces modes de surface
qui véhiculent de l’énergie sur des pistes métalliques de section inférieure à la longueur
d’onde peuvent être utilisés pour le traitement de l’information dans les systèmes d’optique
intégrée.
- Spectroscopie locale des structures modales du dispositif considéré.
II) CARTOGRAPHIE DU TRANSFERT DE L’ENERGIE LUMINEUSE
Le programme GREEN3D permet aussi d’établir la cartographie précise du champ proche
optique à des distances très courtes des dispositifs. Ces calculs nécessitent des ressources en
mémoire et en temps CPU relativement importantes et nos premières images en champ
proche ont pu être simulées récemment sur SOLEIL en utilisant le mode de soumission MEM.
La figure suivante présente deux images <<champ proche>> calculée au voisinage d’un
réseau de plus de 300 particules colloidales d’or (la synthèse de ces systèmes est réalisée au
sein du groupe nanoscience du CEMES). La simulation inclue toutes les interactions optiques
entres les particules ainsi que le couplage avec le substrat.
z
=
25
n
m
z
=
35
n
m
E
Figure (1) : Exemple de simulation réalisée au voisinage d’un réseau ramifié de
nano-particules d’or (diamètre 13 nanomètres). Le système déposé sur une
surface transparente de silice est éclairé en réflexion totale par une lumière
laser de 633 nanomètres ; (A) distance d’observation de 25 nm ; (B) distance
d’observation de 40 nm.
RÉFÉRENCES
[1] Near-field optical properties of top-down and bottom-up nanostructures, C. GIRARD and E.
DUJARDIN, J. Opt. A : Pure Appl. Opt. 8 (2006) S73-S86.
[2] Theoretical near-field optical properties of branched plasmonic nanoparticle networks, C.
GIRARD, E. DUJARDIN, M. LI, and S. MANN, Phys. Rev. Lett. 97 (2006) 100801-4.
[3] Near-field optical properties of single plasmonic nanowires, T. LAROCHE and C. GIRARD,
Appl. Phys. Lett., 89 (début 2007).