Des antennes pour la lumière

20 septembre 2023

Grâce à des lasers dans des états de polarisation singuliers, il a été démontré qu’il est possible de façonner l’émission de lumière dans des systèmes à base d’émetteurs de photons couplés à des nano-antennes de silicium. Cette étude permet une meilleure compréhension de l’interaction lumière – matière à ces échelles et ouvre la voie à des applications dans le domaine de la nanophotonique.

La nanophotonique (ou nano-optique) est l’étude de l’interaction de la lumière avec des objets de dimensions beaucoup plus faibles que la longueur d’onde, dont un des objectifs est de confiner la lumière à l’échelle nanométrique pour miniaturiser des composants optiques.

Cependant, fabriquer d’infimes sources de lumière à cette échelle est un processus complexe, car il faut positionner des émetteurs de photons à quelques nanomètres autour de nanostructures agissant comme des antennes. Leur rôle, similaire à celui d’une antenne radiofréquence, est de contrôler et diriger l’émission de lumière.

Le comportement est obtenu en jouant sur les résonances optiques de l’antenne quand elle est excitée par un faisceau laser de longueur d’onde judicieusement choisie. Ces résonances génèrent des exaltations locales du champ proche optique, impliquant une plus forte émission de lumière provenant des émetteurs de photons placés à ces endroits.

Le groupe NeO, en collaboration avec d’autres équipes scientifiques françaises, a démontré qu’il est possible de modeler la carte du champ proche optique autour de la nanostructure, en utilisant un faisceau laser mis en forme de doughnut et des polarisations hétérogènes (azimutale et radiale).

Le dispositif hybride élaboré pour cette étude se compose d’un film mince dopé avec des ions de terre rare (Eu³⁺), déposé sur des anneaux de silicium de différentes dimensions, jouant le rôle de nano-antennes. La lumière émise par ce système a été cartographiée pour établir des cartes très précises de l’amplification lumineuse. Elles correspondent avec exactitude aux « points chauds » du champ proche optique obtenus par simulations numériques.

Ces recherches sur les systèmes hybrides, combinant émetteurs de photons et nanostructures en silicium, ouvrent des perspectives intéressantes pour la production de sources de lumière à l’échelle nanométrique. De telles sources pourraient être intégrées sur des composants électroniques car leurs technologies de fabrication sont totalement compatibles avec celles déjà existantes (technologie CMOS).

Publication :
Control of light emission of quantum emitters coupled to silicon nanoantenna using cylindrical vector beams
Martin Montagnac, Yoann Brûlé, Aurélien Cuche, Jean-Marie Poumirol, Sébastien J. Weber, Jonas Müller, Guilhem Larrieu, Vincent Larrey, Franck Fournel Olivier Boisron, Bruno Masenelli, Gérard Colas des Francs, Gonzague Agez & Vincent Paillard
Light: Science & Applications 12 (2023) 239
https://doi.org/10.1038/s41377-023-01229-9

Contacts :
Gonzague Agez | gonzague.agez[chez]cemes.fr
Vincent Paillard | vincent.paillard[chez]cemes.fr