Contrôle de l'émission spontanée de lumière par effets collectifs en présence d'un résonateur

par Ilan Shlesinger

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean-Jacques Greffet.

Soutenue le 23-05-2019

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec Institut d'optique théorique et appliquée (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire Charles Fabry / Naphel (laboratoire) .

Le président du jury était Agnès Maître.

Le jury était composé de Jean-Pierre Hermier, Alexia Auffeves-Garnier.

Les rapporteurs étaient Joël Bellessa, Rubén Pineda Esteban.


  • Résumé

    L’émission spontanée de lumière par un émetteur n’est pas un processus intrinsèque. D’une part, il dépend de l’environnement électromagnétique. D’autre part, il dépend de la présence d’autres émetteurs avec lesquels il peut interagir et générer des interférences.Ces deux effets ont été, dans la plupart des cas, étudiés de manière indépendante. L'objectif de cette thèse est d'explorer comment contrôler l'émission de lumière en utilisant simultanément ces deux types d’effets.La première partie est consacrée à une étude théorique d'un système idéal de deux émetteurs couplés à un résonateur. Les deux émetteurs sont placés à proximité, et l’interaction dipôle-dipôle conduit à la formation de deux états, superradiant et sous-radiant. Le système que l’on obtient agit en tant que source et mémoire quantique de photons uniques, efficace et modulable. On étudie ensuite le cas d’un résonateur plasmonique, à symétrie spatiale antisymétrique, qui permet d’exciter efficacement l’état sous-radiant. On montre qu’on obtient ainsi une forte exaltation de l'effet Purcell, tout en conservant un état spectralement étroit.La deuxième partie explore un système comportant un très grand nombre d’émetteurs couplés à un plasmon de surface se propageant le long d’une interface métal air. Les émetteurs sont des nanoplaquettes, ou puits quantiques colloïdaux. Lorsqu’un film de nanoplaquettes est déposé sur le métal, il est possible d’obtenir un couplage fort. Ce couplage au plasmon de surface permet d'obtenir une émission directive et polarisée.

  • Titre traduit

    Combining collective effects and resonators to control spontaneous emission


  • Résumé

    Spontaneous emission of light is not an intrinsic property of an emitter. On the one hand, it depends on the electromagnetic environment. On the other hand, it depends on the presence of other emitters with whom it may interact and generate interferences. Up to date, very few studies address the question of multiple interacting emitters coupled to a resonator. The goal of this thesis is to combine both collective effects and nanoresonators to control the spontaneous emission and scattering of light emitters.First, we theoretically study an ideal system consisting of two emitters coupled to a resonator. The emitters are in close proximity, and the dipole-dipole interaction generates a superradiant state and a subradiant state. The system that we obtain behaves as an efficient, and tunable, single photon source and quantum memory. We then switch to the case of a plasmonic resonator with an antisymmetric mode, which allows to efficiently excite the subradiant state. We show that this results in an enhancement of the Purcell effect while maintaining a spectrally narrow state.In the second part of this thesis, we explore a system of a large number of emitters coupled to a surface plasmon travelling along a metal-air interface.The emitters are nanoplatelets, also called colloidal quantum wells. Strong coupling is obtained when a layer of nanoplatelets is deposited on top of the metal. The coupling of the nanoplatelets to the surface plasmon allows to obtain directional and polarized light emission.


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