[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 1/63
Confinement extrême et tri de photons
Fabrice Pardo
CNRS-Laboratoire de Photonique et Nanostructures91460 Marcoussis, France
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 2/63
Équipe intégrée MINAO Micro et Nano-Optique
CNRS Laboratoire de Photonique et Nanostructures Jean-Luc Pelouard, 4 permanents
Marcoussis
ONERA Département d'Optique Théorique et Appliquée équipe Conception Innovation en Optique Riad Haïdar, 4 permanents Palaiseau
depuis 2005
~12 thésards et post-doc. communs
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 3/63
Domaines de recherche :
● Optique Quantique et NonLinéaire
● Nanostructures, Gaz d'électrons, Électronique de Spin
● Physique des Hétérostructures et Croissance
● Microfluidique et Nanostructures pour la Chimie et la Biologie
● Microélectronique et Dispositifs Photoniques
● Technologie des Semiconducteurs, des Nanostructures et Analyse
~ 150 p.
http://www.lpn.cnrs.fr/
1000 m2 salle blanches (dont classe 100)Réseau National Recherche Technologique de Base http://www.rtb.cnrs.fr/
CNRS-LPN Laboratoire Photonique et Nanostructures Marcoussis
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 4/63
1000 m2 clean rooms
Projet C2N Centre de Nanosciences et de Nanotechnologie
http://c2n.cnrs.fr/
Paris-Saclay 2017fusion LPN + IEF
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 5/63
Confinement extrême et tri de photons
Fabrice Pardo,Jean-Luc Pelouard, Nathalie Bardou,
Christophe Dupuis, Laurence Ferlazzo
Patrick Bouchon,Riad Haïdar, Julien Jaeck
thèses :Patrick Bouchon, Charlie Koechlin, Benjamin Portier, Paul Chevalier (LPN-ONERA)Simon Vassant (LPN-IOGS)
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 6/63
Motivations
Antennes optiques :
– Confinement d'un faisceau incident à l'échelle nano
Réduction du volume d'interaction pour :
– Réduire le courant d'obscurité
• photodiodes IR
– Réduire les coûts matériau
– Augmenter le rendement énergétique
• photovoltaïque sous concentration gain sur Voptimum
– Augmenter l'intensité du champ
• sensibilité pour la détection chimie, bio
– Créer des fonctions spectrales dans le pixel
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Plan
Ingénierie des Ondes Évanescentes– plasmonique– focalisation dans des structures arbitrairement petites
Interlude : résonances phonons-polaritons– volume lambda3 / 100 000
Combinaison de résonateurs sublambda– Tri de photons– Détecteurs ou absorbeurs large bande
Résonateur de Helmholtz optique– Exaltation et confinement extrèmes
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 8/63
Antenne Yagi-Uda
Les antennes
Antenne parabolique
Cable coaxial << λguide d'onde ~ λ
Dimensions comparables à λ
>>λ~λ/2
>>λ>>λ
qq λ
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En optique
Taille de spot minimale ~ λ
Lentille ou miroir
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Concentration sub-lambda
Coaxial cable << λDipolar antenna ~ λ/2
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 11/63
Concentration sub-lambda
Cable coaxial << λAntenne dipolaire ~ λ/2
fente ~ (λ/2) × (<<λ) [ici @2.4 GHz]
Antenne à fente
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 12/63
Fentes nanométriques absorbantes
Modèle du noir d'or, noir d'argentfentes intergrains, théorie avec un réseau de fentes
Le Perchec et al, PRL 100, 066408 (2008)
Étude facile (mesure de la réflectivité)
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 13/63
Fentes nanométriques absorbantes
Modèle du noir d'or, noir d'argentfentes intergrains, théorie avec un réseau de fentes
Le Perchec et al, PRL 100, 066408 (2008)
Étude facile (mesure de la réflectivité)
Réalisation d'un absorbant IR parfait
P. Bouchon et al,Appl.Phys.Lett. 98 (2011) 191109
d = 2500 nm, h = 2000 nm, w = 150 nm
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 14/63
Réseau de fentes, étude expérimentale
P. Bouchon et al, Appl.Phys.Lett. 98 (2011) 191109
polarisation TM,d = 2500 nm, h = 2000 nm, w = 150 nm
résonance localisée : absorption dans les fentes
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 15/63
Interlude théorique
Optique des métaux (Drude 1900)
Modes plasmoniques (à la Fresnel)
Modes MIM : guide d'onde plan ou plasmons couplés ?
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 16/63
Optique des métaux
ε(λ)= 1−1
( λ p
λ+i γ ) λ p
λ
Au : {λ p = 140 nmγ = 0.005
{ λ p = 2π c /ωp
γ = 1 /(ωp τopt .)
{λ p =2πe √ me
μ0 N=√
πN re
τopt . = 14 fs
τBF =meσ
N e2 = 27 fs = 2×τopt .
Modèle des électrons libres (Drude 1900)
Olmon et al, Phys. Rev. B, 86, 235147 (2012)
re = 2.8 fm(rayon classiquede l ' électron )
+ transitions interbandes dans le visible (l'or est jaune)
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 17/63
Radio vs. Optique
m = 1−1
p
i p
Radio (< 1 THz)
p
≃ 20m [15THz ]
m ≃ i
p
=
2ℑn
s= p
22=10−11m
n= ℑn = coefficient d ' extinction
≃ s
Optique
m ≃−
2
p2 nm ≃ i λ
λ p
≃p
2≃ 25nm Au
Profondeur de peau, décroissance de l'amplitude
nm ≃ (1+i)√ λ2γλ p
Électromagnétisme des métaux : deux situations différentes
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 18/63
Plasmons de surface
k x2= d
2
c2 1− d
−m −1
d
2
c2 ⇒ k z , d2
0
Décroissance exponentielle de part et d'autre de l'interface
Deux ondes planes inhomogènes en polarisation TM
k z , d
d
k z ,m
m
=0
x
z
d
m
H y
r=
k z , dεd
−k z ,mεm
k z , dεd
+k z ,mεm
Fresnel en TM, 3 ondes
Si 2 ondes
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 19/63
Relation de dispersion du plasmon de surface
k x2= d
2
c2 1− d
−m −1
d
2
c2
Deux régimes : localisé par kx et propagatif
x
z
d
m
H y
0 10 200
1
2
3
4
5Dispersion du plasmon de surface
k x
2[m ]
−1
=−1,≈p /2
2 c[m ]
−1
propagatif
localisé
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 20/63
Plasmons de surface, modes localisés
grands kx, grande densité d'états
Vide-métal :
m ≃−1, ≃ p
2,
dd k x
≪c
k x2=
2
c2 1 1m
−1
Observables par perte d'énergie d'un faisceau électronique
0 10 200
1
2
3
4
5Dispersion du plasmon de surface
k x
2[m ]
−1
=−1,≈p /2
2 c[m ]
−1
propagatif
localisé
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 21/63
Plasmons de surface, modes localisés
grands kx, grande densité d'états
Vide-métal :
m ≃−1, ≃ p
2,
dd k x
≪c
k x2=
2
c2 1 1m
−1
Prévus par Ritchie en 1955, violemment contesté par D. Gabor*
Observés en 1959
* invente l'holographie en 1948
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 22/63
H E
k = /c
k /c
Onde plane
Deux plasmons
k = /cOnde plane
k ≫/cPlasmons couplés
Métalparfait :
Métalréel :
Structures plasmoniques Metal-Isolant-Metal
Mode MIM de fort indice effectif
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 23/63
Modes MIM de fort indice effectif
Profondeur de peau optique Au = 25 nm
neff≈nd 1
w Collin et al, Opt. Expr. 15, 4310 (2007)
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 24/63
Absorption dans les sillons d'or = effet entonnoir
F. Pardo et al, Phys.Rev.Lett. 107 (2011) 093902
h = 640 nmw = 56 nmd = 2000 nmw/d = 3 %
résonance localisée : absorption dans les fentes
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 25/63
Mécanisme de l'effet entonnoir
rôle des plasmons de surface dans la propagation de l'énergie ?
Hi, Ei : onde incidenteHe, Ee : champ évanescentHr, Er : onde réfléchie = 0 à la resonance
Vecteur de Poynting S = E×H
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 27/63
Champ évanescent
0 à l'incidence normale !
`
Les plasmons de surface ne propagent pas ici l'énergie vers le sillon
F. Pardo et al, Phys.Rev.Lett. 107 (2011) 093902
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 28/63
Interférence magnéto-électrique
Interférence classique E·E
|E1+E
2|2 E
1 · E
2
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 29/63
Interférence magnéto-électrique
Interférence magnéto-électrique E×H
(E1+E
2)×(H
1+H
2) E
1 × H
2 + E
2 × H
1
Interférence classique E·E
|E1+E
2|2 E
1 · E
2
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 30/63
Interférence magnéto-électrique
Interférence magnéto-électrique E×H
(E1+E
2)×(H
1+H
2) E
1 × H
2 + E
2 × H
1
- Évanescent × Évanescent- Effet tunnel optique
Interférence classique E·E
|E1+E
2|2 E
1 · E
2
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 31/63
Interférence magnéto-électrique
Interférence magnéto-électrique E×H
(E1+E
2)×(H
1+H
2) E
1 × H
2 + E
2 × H
1
- Évanescent × Évanescent- Effet tunnel optique
- Incident × Diffracté- diffusion de Mie généralisé par Miyazaki (IEEE JSTQE 2008)
Interférence classique E·E
|E1+E
2|2 E
1 · E
2
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 32/63
Interférence magnéto-électrique
Interférence magnéto-électrique E×H
(E1+E
2)×(H
1+H
2) E
1 × H
2 + E
2 × H
1
- Évanescent × Évanescent- Effet tunnel optique
- Incident × Diffracté- diffusion de Mie généralisé par Miyazaki (IEEE JSTQE 2008)
- Champ Incident Donné × Champ Evanescent Construit
Interférence classique E·E
|E1+E
2|2 E
1 · E
2
IME redirige l'énergie depuis la surface vers le sillon
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 33/63
L'interférence magnéto-électrique
Absorption totale due à la résonance
F. Pardo et al, Phys.Rev.Lett. 107 (2011) 093902
== ++
Le champ évanescent est construit autour du sillon
La résonance est-elle nécessaire ?
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 34/63
Angle de Brewster plasmonique
longueur d'onde λ = 759 nmangle d'incidence θ = 68.60◦métal = −24.7 + 1.44 ilargeur de fente w = 24 nmpériode d = 96 nmhauteur h = 200 nm
Angle de Breswter Plasmonique sur un réseau de fentes (réflexion nulle)
Pas de réflexion=
effet entonnoir parfait dans les fentes
Métamatériau à l'angle de Brewster
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 35/63
Angle de Brewster plasmonique, interprétations
- Xian-Rong Huang : modèle exotique des plasmons Phys. Rev. Lett. 105 (2010) 243901
Très discutable
- Alù : approche métamatériau Phys. Rev. Lett. 106 (2011) 123902
Approximation de Maxwell-Garnett
- Mécanisme de l'interférence Magnéto-électrique Phys. Rev. Lett. 107 (2011) 093902 EPAPS
Pas de résonance
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 36/63
Interlude : une découverte sérendipitique
(Qui n'est pas le fruit d'une créativité programmée ni... financée)
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 37/63
Un autre système, les phonons-polaritons
Zone du restrahlen : diélectrique polaire devient “métallique”
GaAs : autour de 35 µm
L'optique c'est ici plus que l'électronique, les ions bougent
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 38/63
Excitation de phonons-polaritons de surface(collaboration JJ Greffet, IOGS)
Réseau de GaAs (période = 35 µm)
S. Vassant et al., Appl. Phys. Lett., 97, 161101 (2010)
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 39/63
Excitation de phonons-polaritons de surface
Absorption du rayonnement polarisé TM vers 8.6 THz
S. Vassant et al., Appl. Phys. Lett., 97, 161101 (2010)
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 40/63
Rappel : fabrication du moule GaAs
Dessin de lignes dans PMMA (résine acrylique, lithographie électronique Leica Vistec EBPG)
Lift-off 70 nm Ni
Gravure RIE-ICP (ionique réactive, induced current plasma O2+HBr)
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 41/63
Une découverte sérendipitique
Un programme achevé (LPN-IOGS)
Le moule d'un autre programme (LPN-ONERA)
“Prête-moi ton moule, que je le passe dans mon FTIR”S. Vassant
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 42/63
Une découverte sérendipitique
Pic d'absorption vers 35.5 µm, modulable
w = 80 nm h = 800 nm d = 2.5 µm
S. Vassant et al., Appl. Phys. Lett. 100, 091103 (2012) + brevet
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 43/63
Résonateur plasmon-phonons polaritons
Cavité volume lambda3 / 100 000S. Vassant et al., Appl. Phys. Lett. 100, 091103 (2012)
+ brevet
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 44/63
Retour aux antennes fentes
Occupent une faible fraction de la surface d'or
Sont résonantes (Q ~ 10)
Peut-on les combiner dans un même espace sub-lambda?
OUI
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 45/63
Combinaison de résonateurs sillons
Absorption totale sur une large bande
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 46/63
Combinaison de résonateurs sillons
largeur(nm)
hauteur(nm)
pic(nm)
65 491 3200
19 390 3400
25 460 3600
34 540 3800
49 630 4000
76 720 4200
99 784 4400
200 880 4650
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 47/63
Concentration de l'énergie
λ = 3.200 µm
d = 2.500 µmw = 0.065 µmw = 0.019 µm
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 48/63
Réalisation avec des structures biMIM
C. Koechlin et al, Appl.Phys.Lett. 99 (2011) 241104
“fentes” horizontales
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 49/63
Structure BiMIM
C. Koechlin et al, Appl.Phys.Lett. 99 (2011) 241104
Tri de photons
Absorption totale localisée
Loi de combinaison A = A1 + A2 R = R1 × R2
(probabilité d'échapper)
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 50/63
QuadriMIM non polarisant
P. Bouchon et al, Opt.Lett. 99 (2011) 241104
d = 5.3 µmw = 1.64, 1.78, 1.91, 2.07 µmh
Au = 50 nm
hZnS
= 290 nm
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 51/63
QuadriMIM non polarisant
P. Bouchon et al, Opt.Lett. 99 (2011) 241104
4 canaux indépendants
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 52/63
tri de photons BiMIM
L'interference magnéto-électrique redirige l'énergie
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 53/63
Empilement MIM vertical
P. Chevalier et al J. Nanophoton. 6, 063534 (2012)
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 54/63
Concentration extrême
Peut-on réduire la largeur de fente
tout en couplant ~100% du faisceau incident ?
99.75 % or pur
0.25 % air (cinq sillons 4 nm, espace 1600 nm)
des boites résonnantes derrière
Oui : à 23.94 carats noir à 4 µm
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 55/63
Échelle optique classique
99 % absorptionpolarisation TM
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 56/63
Échelle du champ proche
Focalisation totale à traversune fente 4 nm (λ/1000), hauteur 18 nmdans une boite résonnante 100 nm × 380 nm (λ/10)
Puissance constanteentre deux lignesdu vecteur de Poynting
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 57/63
Pourquoi λ/10 et pas λ/4 ?
Paul Chevalier
résonateur de Helmholtz optique
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 58/63
Pourquoi λ/10 et pas λ/4 ?
Paul Chevalier et al, Appl. Phys. Lett.105, 071110 (2014)
λ = 2π √wb hb
hs
ws
résonateur de Helmholtz optique
1= 2 π√0.10.1 0.0250.001
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 59/63
La boite est purement magnétique...
Paul Chevalier et al, Appl. Phys. Lett.105, 071110 (2014)
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 60/63
La boite est purement magnétique...
Paul Chevalier et al, Appl. Phys. Lett.105, 071110 (2014)
fonctionnement quasistatique : circuit LC
...la fente est purement électrique
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 61/63
Système indépendant de la polarisation
Paul Chevalier et al, to be published
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 62/63
Exaltation du champ
Couplage purement électrique
Section efficace ~λ
Fente arbitrairement étroite
Exaltation |E/E0|2 ~ (λ/w)2
Malgré un facteur de qualité modéré (10 à 20)
108 @ 200 µm (1.5 THz)
QNR = (1
ℜ(1 /nm)
√wbhb
2(hb+wb))
2/3
(2πdλ
)1/3
ℜ(1 /nm)=γ/2...
avenir brillant !
[email protected] 03/09/2014 COMELEC, Paris 63/63
Conclusion
Interférence magnéto-électrique
Nouveau paradigme pour la nano-optique
L'énergie est focalisée par interférence incident × évanescent
Non par la propagation latérale de l'onde évanescente (sauf cas particulier)
Combinaison de systèmes résonnants dans un espace sub-Détecteurs large bande
Détecteurs à réponse spectrale choisie
Tri des photons pour des détecteurs multispectraux et le photovoltaïque
Pas besoin d'antenne collectrice (comme Yagi-Uda or Papillon)
Résonateur de Helmholtz : exaltation 108 dans toute la fente
== ++