Théorie de l'émission lumineuse des nanocavités plasmoniques pilotées par le courant

Theory of light emission from current-driven plasmonic nanocavities

• Auteur / Autrice : Andrés Felipe Bejarano sanchez
• Direction : Fabio Pistolesi, Thomas Frederiksen
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Inscription en doctorat le 13/04/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec UNIVERSIDAD DEL PAÍS VASCO / EUSKAL HERRIKO UNIBERTSITATEA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Ondes et Matière d'Aquitaine
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Théorie de la matière condensée

Mots clés

Mots clés libres

Optique quantique

Transport quantique

Light emission

Nanocavités plasmoniques

Quantum transport

Quantum optics

Emission lumineuse

Plasmonic nanocavities

Résumé

L'étude des cavités électromagnétiques est intéressante car elle permet d'explorer la nature des interactions lumière-matière. Si un atome/molécule est placé à l'intérieur d'une telle cavité et qu'un courant électronique est conduit à travers l'objet nanométrique, il est possible d'obtenir une émission de lumière. Des statistiques de photons intéressantes peuvent apparaître, par exemple ce que l'on appelle l'anti-regroupement, où deux photons individuels ne sont probablement pas émis dans le temps. Une telle source de photons uniques avec des statistiques de photons bien contrôlées est hautement souhaitable avec des applications dans le domaine de la cryptographie quantique. Actuellement, nous savons que les jonctions formées avec des microscopes à effet tunnel (STM) agissent comme des cavités plasmoniques, en fait, il a été démontré que certains de ces systèmes pouvaient émettre un photon. Certains travaux récents ont également mis en évidence le rôle des effets vibrationnels moléculaires dans l'émission lumineuse. Pour rationaliser de telles situations, des études antérieures sur des modèles ont considéré un mode plasmonique et quelques niveaux moléculaires électroniques. Le développement d'une image théorique complète de toute la physique contenue dans l'émission de lumière d'une seule molécule est un défi et est devenu un domaine de recherche actif au cours des deux dernières années. Ici, un projet de doctorat est proposé dans lequel le candidat développera un cadre théorique qui comprend; d'une part deux niveaux électroniques pour l'atome/molécule enfouis dans la cavité et d'autre part le couplage aux modes vibrationnels. Couplage monopolaire (couplage entre mode cavité et niveaux électroniques individuels) et couplage dipolaire (couplage entre mode cavité et transitions électroniques entre niveaux électroniques). Une attention particulière sera portée à la modélisation des statistiques photoniques et au calcul de paramètres modèles réalistes à partir de la modélisation atomistique. La thèse proposée s'appuie sur une ligne de recherche existante des directeurs de thèse, qui ont précédemment encadré la thèse de doctorat en cotutelle de Quentin Schaeverbeke intitulée « Photon emission and quantum transport in nanoplasmonic cavities » soutenue avec succès en 2020.

The study of electromagnetic cavities is interesting because it lets us explore the nature of light-matter interactions. If an atom/molecule is placed inside such a cavity and an electronic current is driven through the nanoscale object, it is possible to obtain light emission. Interesting photon statistics may appear, for instance so-called anti-bunching, where two individual photons are unlikely to be emitted close in time. Such a single-photon source with well-controlled photon statistics is highly desirable with applications in the field of quantum cryptography. Currently we know that junctions formed with scanning tunneling microscopes (STM) act as plasmonic cavities, in fact, it has been shown that some of these systems could emit one photon. Some recent works have also demonstrated the role of molecular vibrational effects in the light emission. To rationalize such situations previous model studies have considered one plasmonic mode and a few electronic molecular levels. Development of a complete theoretical picture of all the contained physics in single-molecule light emission is challenging and has become an active area of research in the last couple of years. Here, a PhD project is proposed in which the candidate will develop a theoretical framework that includes; firstly two electronic levels for the atom/molecule embedded in the cavity and, secondly, the coupling to vibrational modes. Both monopolar coupling (coupling between cavity mode and individual electronic levels) and dipolar coupling (coupling between cavity mode and electronic transitions between electronic levels). Special attention will be paid to model the photon statistics and to the computation of realistic model parameters from atomistic modeling. The proposed thesis builds on an existing research line by the thesis directors, who previously supervised the cotutelle PhD thesis by Quentin Schaeverbeke entitled “Photon emission and quantum transport in nanoplasmonic cavities” successfully defended in 2020.