Ecole Doctorale

Physique et Sciences de la Matière

Spécialité

OPTIQUE, PHOTONIQUE ET TRAITEMENT D'IMAGE

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

métamatériaux,photoniques,électromagnétique,,

Keywords

metamaterials,photonics,electromagnetics,,

Titre de thèse

Contrôle de l'émission spontanée et transfert d'énergie par résonance : antenne analogie.
Controlling spontaneous emission and resonance energy transfer: An antenna analogy.

Date

Vendredi 26 Janvier 2018

Adresse

Campus St. Jerôme, 13013, Marseille salle des thèses

Jury

Directeur de these M. Stefan ENOCH CNRS, Institut Fresnel
Rapporteur M. Femius KOENDERINK FOM Institut AMOLF
Rapporteur M. Jean-Jacques GREFFET l'Institut d'Optique
Examinateur M. Julien DE ROSNY Institut Langevin
Examinateur M. C. Martijn DE STERKE University of Sydney
Examinateur M. Redha ABDEDDAIM Institut Fresnel

Résumé de la thèse

L'émission spontanée est due à l'interaction entre un atome et un champ électromagnétique. Ainsi, cet effet n'est pas une caractéristique intrinsèque des atomes et l'émission spontanée est fortement dépendante de l’environnement électromagnétique dans lequel ils évoluent. Par conséquent, en contrôlant la densité locale d'états électromagnétiques (LDOS), il est possible d'augmenter ou de diminuer le taux d'émission spontanée. Le facteur de Purcell mesure l'augmentation ou la diminution du taux d'émission spontanée. Le but de cette thèse est d'analyser l'effet des modes électromagnétiques sur le ce facteur. Le plus souvent, la mesure du facteur Purcell se fait via la variation des taux de décroissance des atomes ou des molécules fluorescentes. Récemment, il a été démontré que dans un régime de couplage faible, le facteur Purcell est analogue à la modification de l'impédance d’entrée d’une antenne radiofréquence. Cette démonstration a permis d’étendre la quantification du facteur de Purcell au domaine des hyperfréquences. Dans cette thèse, nous avons utilisé cette approche de mesure de l’impédance d'antenne afin de déterminer le facteur de Purcell électrique et magnétique dans un métamatériau fonctionnant entre 5-15 GHz. Le métamatériau, en raison de sa dispersion hyperbolique en polarisation transverse magnétique a une densité d'états locale importante qui se traduit par une augmentation du facteur Purcell. En même temps, l'absence de modes de propagation dans la polarisation transverse électrique annule le facteur Purcell. Nous avons démontré expérimentalement, il est possible d’étudier cette dépendance en polarisation en utilisant de simples antennes radiofréquences. Dans la deuxième partie de la thèse, j’ai étendu ce modèle à la caractérisation de la modification du transfert d'énergie dans les interactions dipôle-dipôle (DDI) par l’environnement électromagnétique. Le transfert d'énergie par résonance (Förster resonance energy transfer, FRET) est le processus d'échange d'excitation entre un atome dans un état excité (donneur) et un atome dans un état fondamental (accepteur). Ces interactions sont particulièrement intéressantes lorsque la distance séparant le donneur et l’accepteur est inférieure à la longueur d'onde. À de telles distances, le transfert d'énergie est dû à des mécanismes non radiatifs en champ proche. Un tel transfert d'excitation gouverne des phénomènes importants tels que le transfert d'énergie par résonance, responsable du transfert d'énergie entre les molécules à des distances nanométriques (nm). Dans le manuscrit, je montre que pour l'émission spontanée, on peut formuler un transfert d'énergie classique avec des antennes radiofréquences. Le transfert d'énergie par résonance peut être ainsi étudié à travers l'impédance mutuelle Z21 de deux circuits linéaires couplés à des antennes de dimensions sub-longueur d'onde. Je développe ainsi des analogies classiques afin de caractériser l'influence des modes électromagnétiques sur les processus par DDI tel que le FRET en termes d'impédance mutuelle Z21 d'un réseau micro-ondes à deux ports. Je présente ensuite les mesures du transfert d'énergie de résonance dans le vide à la fréquence 1 GHz où la dépendance caractéristique du FRET comme $ r_ {DA} ^ {- 6} $ est rapportée, $ r_ {DA} $ étant la distance de séparation donneur-accepteur. Je présente aussi des résultats expérimentaux montrant le changement de transfert d'énergie de résonance à l'intérieur d'un guide d'onde à plaques parallèles et je le compare avec les modèles théoriques. Ainsi, ce travail contribue à développer une compréhension cohérente de l'effet de l'environnement électromagnétique sur processus induits par les interactions dipolaires atome-champ.

Thesis resume

Spontaneous emission arises due to the interaction of the atom with the electromagnetic field. Hence, it is not completely intrinsic to the atom, but also depends on its electromagnetic environment. By controlling the local density of states~(LDOS) it is possible to enhance or decrease the rate of spontaneous emission. The figure of merit for enhancement or decrease in the spontaneous emission rate is the Purcell factor. The aim of the thesis is to analyze the effect of the electromagnetic modes on the Purcell factor. Conventional experiments to measure the Purcell factor involve characterizing the change in decay rates of atoms or fluorescent molecules. Recent research has shown that in the weak-coupling regime, Purcell factor is analogous to the modification of antenna impedance. The ability to probe the Purcell factor with antennas, expands the scope of measurements from optical frequencies to microwave frequencies. In this thesis we have used this antenna impedance approach to measure the electric and magnetic Purcell factor for a fishnet metamaterial structure designed for operation in the microwave frequency range 5-15 GHz. The metamaterial, due to its hyperbolic dispersion in the TM$_z$ polarization, has a large local density of states which enhances the Purcell factor. At the same time lack of propagating modes in the TE$_z$ polarization suppresses the Purcell factor. We demonstrate experimentally, it is possible to resolve this polarization dependent Purcell factor with antennas. In the second part of the thesis, I focus on how the electromagnetic modes modify resonance energy transfer mediated by dipole-dipole interactions (DDI). Resonance energy transfer is the process of exchange of excitation from an atom in an excited state~(donor) to an atom in a ground state~(acceptor). Of particular interest is the regime when the donor-acceptor separation distance is subwavelength. At such distances the energy transfer is due to near-field, non-radiative mechanisms. Such transfer of excitation governs important phenomena such as F"{o}rster resonance energy transfer (FRET), responsible for energy transfer between molecules at nanometer~(nm) distances. I show that as for spontaneous emission, a classical analogue to resonance energy transfer with antennas can be formulated. I demonstrate that resonance energy transfer can be studied through the mutual impedance ($Z_{21}$) of two linear circuits coupled with subwavelength antennas. I develop classical analogues to characterize the influence of electromagnetic modes on processes mediated by DDI like FRET in terms of the mutual impedance ($Z_{21}$) of a two-port microwave network. I measure resonance energy transfer in vacuum at the frequency~1~GHz where the characteristic FRET like $r_{DA}^{-6}$ dependence is reported, $r_{DA}$ being the donor-acceptor separation distance. I measure the change in resonance energy transfer inside a parallel plate waveguide and compare with theoretical predictions. This work will contribute towards developing a coherent understanding the on effect of the electromagnetic environment on processes mediated by dipolar atom-field interactions.