Nanoplasmonique Quantique : de l'atome habillé à la superradiance

Quantum Nanoplasmonic : from dressed atom picture to superradiance

• Auteur / Autrice : Hugo Varguet
• Direction : Gérard Colas des Francs, Stéphane Guérin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 22/11/2019
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon) - Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne [Dijon] / LICB
• Partenaire(s) de recherche : : Université de Bourgogne (1970-....)
• Jury : Président / Présidente : Jose-Luis Jaramillo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Jacques Greffet, Bruno Bellomo, Christophe Couteau
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Arne Keller

Mots clés

Mots clés contrôlés

Régime de couplage fort

Résonance

Nanoparticules

Superradiance

Théorie quantique

Mots clés libres

Plasmonique quantique

Nanosource

Couplage fort et faible

Superradiance

Quantum plasmonics

Nanosource

Stong and weak coupling

Superradiance

Résumé

Le contrôle des émetteurs quantiques (atomes, molécules, boîtes quantiques, etc) et de l'interaction lumière-matière est un enjeu majeur pour la conception des systèmes pour le traitement optique de l'information à l'échelle quantique. Il est possible par exemple de contrôler la dynamique d'un émetteur couplé à un mode de cavité à haut facteur de qualité par le biais de l'électrodynamique quantique en cavité (cQED). Les structures plasmoniques présentent un intérêt de plus en plus important pour le contrôle quantique à l’échelle nanométrique car elles permettent un confinement de la lumière au-delà de la limite de diffraction. Cependant, les applications de la plasmonique quantique apparaissent limitées en pratique à cause de la présence intrinsèque de nombreux modes dissipatifs, ce qui complique la description et l’interprétation de l’interaction et introduit une forte décohérence dans le système. Le sujet de cette thèse porte sur la description quantique du couplage entre un ou plusieurs émetteurs et les plasmons de surfaces localisés d'une nano-particule métallique. Ce travail théorique et numérique repose sur un modèle effectif dédié à la plasmonique quantique faisant le lien avec l'électrodynamique quantique en cavité. L'Hamiltonien effectif sous-jacent est construit sur la décomposition modale de la densité d'état locale de l'émetteur en présence de la nanoparticule impliquant des pseudo-modes plasmoniques discrets avec pertes. L’introduction d'un environnement permet d'établir une équation maîtresse effective où les modes radiatifs sont à l'origine des profils de résonance de type Fano que l'on peut observer lorsque les dimensions de la particule deviennent suffisamment importantes. Ce modèle effectif est utilisé pour décrire l'émission collective d'un ensemble d'émetteurs en régime de couplage faible. Selon la configuration spatiale des émetteurs, nous avons mis en évidence une exaltation (effet Purcell) ou un blocage de l'émission superradiante. Nous étudions également le régime de couplage fort pour lequel le système hybride émetteurs+nano-particule est décrit en représentation de l'atome habillé.

Controlling quantum emitters (atoms, molecules, quantum dots, etc.), light, and its interactions is a key issue for implementing devices for information optical processing at the quantum level. For example, controlling dynamics of emitters coupled to a high-Q cavity can be achieved through cavity quantum electrodynamics (cQED). Plasmonic structures hybrid system are of growing interest in the quantum control at the nanoscale because of their capability to confine light beyond the diffraction limit. However, its application appears notoriously limited in practical situations due to the intrinsic presence of numerous and lossy modes, which complicates the description and the interpretation of the interaction, and introduces strong decoherence in the system. The subject of this thesis concerns the quantum description of the coupling between one or more emitters and localized surface plasmon of a metallic nano-particle. This work is essentially theoretical and numerical and relies on an effective model dedicated to quantum plasmonics and making the link with cavity quantum electrodynamics. The underlying effective Hamiltonian is built via the modal decomposition of the local density of states of the emitter in the presence of the nano-particle. This leads to the definition of plasmonic pseudo-modes including strong losses. Introducing an environnement allows to derive an effective master equation where the radiation modes are the source of Fano lineshape of the resonance profiles that occurs when the nano-particule becomes large enough. By means of this effective model we have studied the dynamic of the collective emission of emitters in the weak coupling regim. According to the spatial configuration of the emitters, we observe superradiance enhancement (Purcell effect) or blockade. We also investigate the strong coupling regime for which the hybrid system emitters+nano-particle is described in the dressed atom picture.