Confinement de rayonnement térahertz par des micro-résonateurs métalliques, pour la spectroscopie et manipulation d’objets nanométriques uniques

THz radiation confinement using metallic micro-resonators, for spectroscopy and manipulation of single nanometric samples

• Auteur / Autrice : Théo Hannotte
• Direction : Jean-François Lampin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, photonique
• Date : Soutenance le 16/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
• Jury : Président / Présidente : Juliette Mangeney
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Giacomo Scalari, Romain Peretti, Peter Qiang Liu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yanko Todorov, Oleg Mitrofanov

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique en champ proche

Métamatériaux

Résonateurs optiques

Nanoconfinement

Spectroscopie terahertz

Mots clés libres

Couplage fort

Pince optique

Terahertz

Confinement

Spectroscopy

Strong coupling

Optical tweezer

Résumé

A la frontière entre l'optique et l'électronique, la gamme de fréquence Térahertz (THz) attire un intérêt croissant dans des domaines allant des communications haut-débits au contrôle non destructif. La spectroscopie THz a le potentiel de constituer un outil de choix pour l'analyse d'échantillon biologique. Cependant, beaucoup d'échantillons tels que des cellules vivantes, des virus ou des protéines ont une taille inférieure aux longueurs d'onde THz de deux ordres de grandeur.Des micro résonateurs, plus petit que leur longueur d'onde de résonance, ont été étudiés et utilisés en tant que composant élémentaire des métamatériaux. En utilisant les propriétés dispersives de ces résonateurs, il est possible de créer des milieux optiques artificiels possédant des propriétés singulières, comme par exemple un indice de réfraction négatif.Cependant, les progrès récents en spectroscopie THz et en optique de champ proche ont ouvert la voie à l'étude de résonateur unique, et d'utiliser pleinement leurs propriétés en champ proche. Cette thèse se concentre sur le cas des résonateurs métalliques de type RLC, qui permettent de confiner un champ électrique dans un volume arbitrairement petit. Ce champ confiné est utilisé pour contourner la limite de diffraction d'Abbe, et permet la spectroscopie d'objet jusqu'à cent fois plus petit que la longueur d'onde.Dans cette thèse, nous développons un modèle analytique pour comprendre le comportement d'un résonateur RLC couplé à un matériau, et extraire des information sur ce matériau via une mesure de spectroscopie sur le résonateur. Après quoi nous concevons et fabriquons des résonateur mesurable individuellement en spectroscopie THz dans le domaine temporel (THz-TDS). Nous étudions ensuite la microscopie optique en champ proche pour mesurer le profil du champ électrique formé par nos résonateurs. Puis nous procédons à des mesures de THz-TDS sur des résonateurs uniques couplé à un volume nanométrique d'un matériau d'étude.Nous avons développé un ensemble d'outils qui nous ont permis d'être parmi les premiers à réaliser des mesure spectroscopique sur des résonateurs RLC uniques dans la gamme THz et en extraire des informations. Les modèles analytiques sont encore améliorables, mais ils offrent déjà une compréhension profonde des donnés expérimentales. Nous pensons que ces travaux ouvriront la voie à la spectroscopie THz a l'échelle nanoscopique.

At the boundary between optics and electronics, the terahertz (THz) frequency range has seen a growing interest in applications going from high data rate telecommunication to non-destructive testing.THz spectroscopy is expected to have a valuable purpose for analyzing biological samples. However, many objects of interest such as living cells, viruses, or proteins are two orders of magnitude smaller than THz wavelengths.Sub-wavelength resonators have been widely studied as building blocks of meta-material. Taking advantage of their dispersive properties, one can create an artificial optical medium with exotic dielectric properties such as a negative refractive index. However, the recent progress in THz spectroscopy and near-field optic has opened the path to study individual sub-wavelength resonators and fully take advantage of their near-field properties. This thesis focuses on the case of Split Ring Resonators (SRR), which are small metallic structures behaving as an RLC circuit confining the electric field in an arbitrarily small capacitive area. The electric field confinement provided by SRRs is used to get rid of the Abbe diffraction limit and perform spectroscopy on samples two orders of magnitude smaller than the wavelength of interest.In this thesis, we develop an analytical model to understand the behavior of an SRR coupled to a sample material and extract information on that material from a spectroscopic measurement of the SRR. Then we design and fabricate an SRR compatible with THz time-domain spectroscopy (THz-TDS) performed on individual resonators. Afterward, we explore scattering scanning near field microscopy as a tool to measure the electric field profile of the fabricated SRR. Next, we perform THz-TDS experiment on single resonators coupled to a nanometric amount of a sample material. Finally, we explore the possibility to generate optical forces from the strong field gradient created by SRRs.We developed a set of tools that allowed us to be among the first to conduct spectroscopy measurements on single SRRs in the THz range and extract information from them. The analytical models can still be improved, but they already provide a good understanding of the experimental data. We believe this work opens the path to THz spectroscopy at the nano-scale.