Interaction lumière-matière dans des suspensions de nanoparticules : homogénéisation et conception de nouvelles propriétés optiques

Light-matter interaction in nanoparticle suspensions : homogenization and design of new optical properties

• Auteur / Autrice : Timothée Guerra
• Direction : Olivier Rozenbaum
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences Physiques
• Date : Soutenance le 02/02/2024
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Conditions extrêmes et matériaux : haute température et irradiation (Orléans ; 2008-...)
• Jury : Président / Présidente : Nadia Pellerin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nadia Pellerin, Xavier Letartre, Christophe Sauvan, Cédric Blanchard, Arthur Goetschy, Franck Enguehard, Gerald Reinhard Kneller
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Xavier Letartre, Christophe Sauvan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Nanoparticules

Lumière -- Diffusion

Lumière -- Absorption

Propriétés optiques

Milieux hétérogènes (physique)

Particules (physique)

Mots clés libres

Simulations numériques

Electromagnétisme

Propriétés radiatives et effectives

Numerical simulations

Electromagnetics

Radiative and effective properties

Résumé

Les milieux désordonnés composés de nanoparticules revêtent une grande importance dans de nombreuses applications, particulièrement celles liées à l'efficacité énergétique telle que le refroidissement radiatif. Dès lors, la compréhension de l'interaction lumière-matière est primordiale, mais s'avère très complexe. En effet, ces études doivent bien souvent passer par la résolution des équations de Maxwell dans des systèmes constitués de milliers de particules, permettant ainsi de prendre en compte les phénomènes de diffusion et d'interférences. De façon à réduire l'importante charge numérique qui en découle, ce travail de thèse se focalise sur des systèmes 2D en incluant quelques discussions sur des systèmes 3D. Dans ce contexte, le premier volet de ce manuscrit s'intéresse au concept d'homogénéisation pour des systèmes de particules petites par rapport à la longueur d'onde du rayonnement et pouvant présenter des résonances. Cette étude met en évidence des comportements exotiques permettant de discuter, entre autres, du lien entre homogénéisation et parties cohérente et incohérente du champ diffusé. Le second volet est dédié à l'optimisation de l'absorption du rayonnement dans des lames minces par rapport à la longueur d'onde, et composées de nanoparticules. On montre que l'utilisation exclusive de particules résonantes ne donne lieu qu'à une absorption plafonnant à 70%. Néanmoins, leur couplage avec des particules purement diffusantes permet une absorption quasi-parfaite (∼95%), par un effet similaire au couplage critique. Finalement, l'étude détaillée des mécanismes qui régissent le gain d'absorption en 2D a permis leur reproduction dans des systèmes 3D.

Disordered media composed of nanoparticles are of great importance in many applications, particularly those related to energy efficiency such as radiative cooling. Understanding the light-matter interaction is therefore essential, but highly complex. Indeed, these studies often involve solving Maxwell's equations in systems made up of thousands of particles, to take account of scattering and interference phenomena. In order to reduce the ensuing numerical burden, this thesis focuses on 2D systems, with some discussion of 3D systems. In this context, the first part of this manuscript focuses on the concept of homogenization for particle systems that are small relative to the radiation wavelength and may exhibit resonances. This study highlights exotic behaviours that allow us to discuss, among other things, the link between homogenization and coherent and incoherent parts of the scattered field.The second part is dedicated to optimizing the absorption of radiation in subwavelength plates made of nanoparticles. It is shown that the use of resonant particles only results in absorption up to 70%. However, combining them with purely scattering particles results in near-perfect absorption (∼95%), through an effect similar to critical coupling. Finally, a detailed study of the mechanisms governing absorption gain in 2D has enabled them to be reproduced in 3D systems.