Controlling spontaneous emission and resonance energy transfer : an antenna analogy

par Kaizad Rustomji

Thèse de doctorat en Optique, photonique et traitement d'image

Sous la direction de Stefan Enoch.

Le président du jury était Julien de Rosny.

Le jury était composé de Martijn C. De Sterke, Redha Abdeddaim.

Les rapporteurs étaient Femius Koenderink, Jean-Jacques Greffet.

  • Titre traduit

    Contrôle de l'émission spontanée et transfert d'énergie par résonance : antenne analogie


  • Résumé

    Le facteur de Purcell mesure l'augmentation ou la diminution du taux d'émission spontanée. 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. Nous avons utilisé cette approche de mesure de l’impédance d'antenne afin de déterminer le facteur de Purcell dans un méta matériau entre 5-15 GHz. Le méta matériau, en raison de sa dispersion hyperbolique en polarisation transverse magnétique a une densité d'état local 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. Dans la deuxième partie de la thèse, nous montrons que, comme pour l'émission spontanée, une analogie classique au transfert résonant d'énergie avec des antennes peut être formulé. Le transfert d'énergie par résonance peut être ainsi étudié à travers l'impédance mutuelle ($Z_{21}$) de deux circuits linéaires couplés à des antennes de dimensions sub-longueur d'onde. Un tel transfert d'excitation gouverne des phénomènes importants tels que le F\"{o}rster resonance energy transfer (FRET), responsable du transfert d'énergie entre les molécules à des distances nanométriques (nm). Je présente ensuite les mesures du transfert d'énergie de résonance dans le vide et à l'intérieur d'un guide d'onde à plaques parallèles à la fréquence 1 GHz, 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.

    mots clés mots clés

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  • Résumé

    The enhancement or decrease in the spontaneous emission rate is characterized by the Purcell factor.It is known, that in the weak-coupling regime, modification of the Purcell factor is analogous to the modification of antenna impedance. In this thesis, we have used this antenna impedance approach to measure the Purcell factor for a fishnet metamaterial structure 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. In the second part of the thesis, we show that, as for spontaneous emission, a classical analogue to resonance energy transfer with antennas can be formulated. Such transfer of excitation governs important phenomena such as F\"{o}rster resonance energy transfer (FRET), responsible for energy transfer between molecules at nanometer distances. We demonstrate that resonance energy transfer can be studied through the mutual impedance ($Z_{21}$) of two linear circuits coupled with subwavelength antennas. 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. We 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 effect of the electromagnetic environment on processes mediated by dipolar atom-field interactions.


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