Influence des plasmons de surface propagatifs sur la cohérence de systèmes optiques

Influence of surface plasmons propagation on the coherence of optical systems

• Auteur / Autrice : Samuel Aberra Guebrou
• Direction : Joël Bellessa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/11/2012
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Jury : Président / Présidente : Natalia Del Fatti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Serge Huant, Pascale Senellart, Clémentine Symonds
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rémi Carminati, Thomas W. Ebbesen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanocristaux semiconducteurs

Cohérence (optique)

Résonance plasmonique de surface

Plasmons

Mots clés libres

Plasmons de surface

Microscopie par modes de fuite

Cohérence

Couplage fort

Couplage faible

J-agrégats

Nanocristaux

Surface plasmon polariton

Leakage radiation microscopy

Coherence

Stong-coupling

Weak-Coupling

J-Aggregates

Nanocrystals

Résumé

Cette thèse expérimentale s’est attachée à l’étude des effets induits par l’extension spatiale desplasmons de surface sur l’émission de matériaux organiques et inorganiques. Le système estformé d’un ensemble d’émetteurs localisés émettant principalement des plasmons de surfacedélocalisés. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à l’imagerie par microscopieplasmon, technique de plus en plus utilisée dans divers domaines, notamment la biologie. Nousavons montré que l’émission détectée en un point provient essentiellement de l’environnementet non du point observé, définissant ainsi un cercle d’influence lié à la longueur de propagationdu plasmon de surface. Quand le plasmon interagit plus fortement avec des émetteurs, ilpeut entrer en régime de couplage fort. Ce couplage fort se traduit par un changement dansles énergies du système et par l’apparition de nouveaux états hybrides excitons-plasmons, lespolaritons. Les différents émetteurs localisés (des chaines de colorants agrégés) ne sont alorsplus indépendants entre eux. Des mesures de diffusion montrent un effet collectif induit par lecouplage fort. Ces expériences ont été confirmées par des mesures de cohérence spatiale, réaliséesen ajoutant une expérience de fentes d’Young au dispositif de microscopie plasmon. Ilapparait qu’un état cohérent étendu sur plusieurs microns se forme, conformément aux prévisionsthéoriques. L’ensemble d’émetteurs se comporte alors comme une macromolécule, dontl’interaction est induite par le plasmon de surface.

This experimental thesis studies effects induced by the spatial extension of surface plasmonpolaritons on the emission properties of organic and inorganic materials. First, we focused onleakage radiation microscopy images, a technic which is now widely used in a lot of differentscientific fields, as biology for exemple. We showed that the detected emission at a given point ofthe fluorescence image of an assembly of emitters mostly comes from the environment and notfrom the observed point, defining an influence circle related to the surface plasmon propagationlength. When the surface plasmon strongly interact with emitters, the strong coupling leadsto energy modifications in the system and new hybride states excitons-plasmons appear calledpolaritons. All the different localized emitters (aggregated dye chains) are not independantanymore. Diffusion measurments showed a collective effect induced by the strong-coupling.Two Young’s slits experiment added on the optical system confirm that an extended coherentstate of several micrometers is created as predicted by theory. All emitters behave as only onemacromolecule where the interaction is mediated by the surface plasmon.