Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales (UPR 8011)


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Tri en énergie de plasmons uniques dans une cavité cristalline 2D

Publié dans Nanoscale

par WAROT Bénédicte - publié le

Des chercheurs du CEMES, en collaboration avec une équipe de l’ETH Zürich, ont utilisé des cavités plasmoniques micrométriques en or couplées à un seul nanoémetteur quantique large bande pour démontrer le filtrage spatial et spectral de plasmons uniques se propageant dans la structure sur plusieurs micromètres de distance. Ce travail collaboratif ouvre la voie à de nouvelles architectures planaires de composants optiques intégrés pour les technologies quantiques.

Avec l’émergence de nouvelles technologies quantiques du traitement de l’information, un des enjeux est la manipulation et le contrôle des propriétés quantiques de la lumière à l’échelle nanométrique dans des structures planaires. Dans ce cadre, des nanostructures métalliques permettant la conversion de photons uniques en plasmons de surface uniques (oscillations collectives d’électrons) offrent des perspectives très prometteuses. Jusqu’à présent, les démonstrations expérimentales se sont limitées à des nanostructures ponctuelles ou unidimensionnelles principalement élaborées par voie physique dans lesquelles les plasmons subissent souvent des pertes élevées par diffusion, limitant les potentielles applications.

 

Des chercheurs du CEMES des groupes NeO et GNS, avec la contribution de collaborateurs de l’ETH Zürich (Suisse), ont utilisé une cavité en or cristallin ultrafine couplée à une nanosource quantique émettant les photons dans une large bande spectrale du visible (600-800 nm), pour démontrer un filtrage spatial et spectral des plasmons uniques se propageant dans la structure sur plusieurs micromètres. 

Les photons émis un par un par un aléatoirement entre 600 < λ < 800 nm par un centre NV unique contenu dans un nanodiamant positionné à proximité immédiate de la structure métallique sont transférés en champ proche au continuum de modes plasmons accessibles dans la cavité. En imageant la propagation de ces derniers en fonction de la longueur d’onde dans la fenêtre spectrale, ils ont mis en avant une distribution du signal à deux dimensions dans la cavité hexagonale qui est régi par la dissipation liée aux pertes par absorption. 

Dans un second temps, cette plaquette cristalline d’or a été modifiée par faisceau d’ion focalisés (FIB) avec l’adjonction d’un miroir de Bragg plasmonique optimisé à une longueur d’onde. Cette structure périodique a fourni un canal supplémentaire pour redistribuer le signal dans la cavité hexagonale et cela en fonction de leur énergie. Les observations de cet effet de "tamis à plasmons uniques" ont toutes été confirmées numériquement en utilisant le formalisme de la fonction de Green dyadique pour simuler la transmittance plasmonique en champ proche du signal émis par une source dipolaire localisée.

Les résultats obtenus avec cet assemblage hybride entre une nanosource de photons uniques et une cavité 2D plasmonique sont une première étape démontrant le potentiel de ces plaquettes cristallines en or en vue de créer des circuits plus complexes multi-entrées/sorties de traitement de l’information, avec par exemple la réalisation d’une interconnexion optique entre plusieurs nanosources quantiques dans une architecture planaire.

Ce travail a été financé dans le cadre des projets NanoX PlasQuant (ANR-17-EURE-0009), ANR PlaCoRe (ANR-13-BS10-0007) et CALMIP P1107.

Publication

" Single plasmon spatial and spectral sorting on a crystalline two-dimensional plasmonic platform " U. Kumar, S. Bolisetty, C. Girard, R. Mezzenga, E. Dujardin and A. Cuche. Nanoscale 12, 13414 (2020)

Contact

Aurélien Cuche aurelien.cuche chez cemes.fr ; Erik Dujardin dujardin chez cemes.fr