Localisation des ondes électromagnétiques au-delà d'Anderson : rôle des corrélations, des symétries et de la topologie

Localization of electromagnetic waves beyond Anderson : role of correlations, symmetries and topology

• Auteur / Autrice : Luis Alberto Razo López
• Direction : Fabrice Mortessagne, Geoffroy Aubry
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 02/04/2024
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique de Nice
• Jury : Président / Présidente : Patrizia Vignolo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Mortessagne, Geoffroy Aubry, Patrizia Vignolo, Matthieu Davy, Luis Froufe-Pérez, Arthur Goetschy, Vincent Josse
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Matthieu Davy, Luis Froufe-Pérez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes -- Propagation

Micro-ondes

Modèle d'Anderson

Corrélation (statistique)

Ondes électromagnétiques

Mots clés libres

Localisation ondulatoire

Ondes électromagnétiques

Effets topologiques

Micro-ondes

Corrélations

Systèmes désordonnés et apériodiques

Effets collectifs

Localisation d'Anderson

Paysage de localisation

Ondes propagatives

Liaison forte

Spirale de Vogel

États hélicoïdaux

États de bord

Wave localization

Electromagnetic waves

Topological effects

Microwaves

Correlations

Disordered and aperiodic systems

Collective phenomena

Anderson localization

Localization landscape

Propagative waves

Tight-binding

Vogel spiral

Helical states

Edge states

Résumé

Au sens large, le terme de localisation ondulatoire fait référence à un phénomène où les ondes sont spatialement confinées dans de petites régions de l'espace sans la contrainte de barrières matérielles. Dans cette thèse, nous étudions (analytiquement, numériquement et expérimentalement) différents mécanismes physiques collectifs pour localiser spatialement, et donc pour contrôler les ondes électromagnétiques. En particulier, nous nous concentrons sur le rôle des potentiels non corrélés et corrélés, ainsi que sur des effets topologiques pour réaliser le confinement des ondes. Les études analytiques et numériques sont réalisées dans le cadre d'une approche récente de la modélisation de la localisation d'Anderson appelée théorie du paysage de localisation. D'autre part, des expériences sont réalisées à l'aide d'une plate-forme micro-ondes composée de petits cylindres diélectriques placés à l'intérieur d'une cavité constituée de deux plaques métalliques. La cavité met en œuvre un système d'ondes propagatives, où nous pouvons contrôler efficacement la permittivité locale au moyen des cylindres agissant comme des diffuseurs, ou comme un système de de liaison forte analogique, où, dans ce cas, les cylindres diélectriques jouent le rôle de résonateurs. Dans un premier temps, nous étendons le champ d'application de l'approche du paysage de localisation à une large classe de systèmes de liaison forte unidimensionnels et bidimensionnels en présence d'un désordre non corrélé, où des fonctions propres localisées apparaissent en bord de bande. Nous démontrons comment la théorie du paysage de localisation est capable de prédire avec précision non seulement les emplacements, mais aussi les énergies des fonctions propres localisées dans les régimes de basse et de haute énergie. Ensuite, en utilisant notre cavité expérimentale comme système de propagation, nous réalisons des expériences de transport de micro-ondes dans des réseaux planaires bidimensionnels. Les expériences sont réalisées sur un réseau désordonné et sur une spirale de Vogel apériodique à partir de laquelle nous caractérisons les structures modales électromagnétiques dans l'espace réel. Nos résultats révèlent que les systèmes apériodiques possèdent une grande variété de modes à longue durée de vie - avec des décroissances spatiales gaussiennes, exponentielles et en loi de puissance - qui sont capables de survivre même dans un environnement tridimensionnel. Ceci est confirmé par différentes quantités de transport telles que la densité d'états, le temps de décroissance caractéristique et la conductance de Thouless qui sont également accessibles expérimentalement. À l'inverse, nous montrons que les états propres dans les milieux désordonnés traditionnels sont toujours limités à des décroissances radiales exponentielles avec d'importantes fuites dès que les systèmes ne sont plus bidimensionnels. Enfin, nous utilisons la configuration expérimentale de liaison forte pour étudier la propagation des états hélicoïdaux topologiques. En particulier, nous analysons expérimentalement un ensemble de structures en nid d'abeille construites à l'aide d'un réseau triangulaire avec une cellule unitaire hexagonale, qui sont caractérisées par l'invariant topologique Z_2. En accédant à la structure modale dans l'espace réel et à la densité d'états, nos résultats révèlent la possibilité d'ouvrir une bande interdite topologique, peuplée d'états de bord localisés en bordure de la structure. Nous démontrons la nature unidirectionelle de la propagation de ces états de bord hélicoïdaux contre-propagatifs. Dans l'ensemble, nos résultats démontrent qu'il est possible de modéliser, de contrôler et de localiser les ondes électromagnétiques non seulement du point de vue d'Anderson, mais aussi au-delà. Grâce aux différents jalons que nous avons posés, nous ouvrons une voie vers l'hypothétique localisation d'Anderson des ondes électromagnétiques tridimensionnelles.

In a broad sense, the term wave localization refers to a phenomenon where waves are spatially confined in small regions of the space without any bounding material barriers.In this Thesis, we investigate (analytically, numerically and experimentally) different physical collective mechanisms to spatially localize, and therefore, to control electromagnetic waves. Specifically, we focus on the role of uncorrelated and correlated potentials, as well as of topological effects to achieve wave confinement. Analytical and numerical studies are accomplished in the framework of a recent approach in the modeling of Anderson localization called localization landscape theory. On the other hand, experiments are performed using a microwave platform composed by small dielectric cylinders placed inside a cavity made of two metallic plates. The cavity implements a propagative wave system, where we can efficiently control the local permittivity by means of the cylinders acting as scatterers, or as an analogic tight-binding system, where, in this case, the dielectric cylinders play the role of resonators.First, we extend the scope of the localization landscape approach to a wide class of one and two dimensional tight-binding systems in the presence of uncorrelated disorder, where localized eigenfunctions appear in both band-edges. We demonstrate how the landscape theory is able to predict accurately not only the locations, but also the energies of localized eigenfunctions in the low- and high-energy regimes. Later, by using our experimental cavity as a propagative system, we perform microwave transport experiments in two dimensional planar arrays. Experiments are carried out on a disordered lattice and on an aperiodic Vogel spiral from where we characterize the electromagnetic modal structures in real space. Our results reveals that aperiodic systems can carry a rich variety of long-lived modes—with Gaussian, exponential, and power law spatial decays—which are able to survive even in a three-dimensional environment. This is supported by different transport quantities such as the density of states, the characteristic decay time, and the Thouless conductance that are also experimentally accessible. On the contrary, we show that the eigenstates in traditional disordered media are always limited to exponential radial decays with leaking features beyond two-dimensions.Finally, we use the experimental tight-binding configuration to investigate the propagation of topological helical states. Particularly, we experimentally analyze a set of honeycomb-like structures built using a triangular lattice with an hexagonal unit cell, which are characterized by the Z_2 topological invariant. By recovering the modal structure in real space and the density of states, our results reveal the possibility to open a topological gap, dwelt by edge states that lives in the border of the structure.We demonstrate the unidirectional counterpropagative features of such helical edge states.Taken together, our results demonstrate that it is possible to model, control and localize electromagnetic waves not only within, but beyond Anderson's conception. Thanks to the crossroads we have taken, we have mapped out an itinerary that brings us closer to the main avenue leading perhaps to Anderson localization of three dimensional electromagnetic waves.