Nouvel état optique spin‐orbital dans desnanostructures plasmoniques

Novel spin‐orbital optical state in plasmonicnanostructures

• Auteur / Autrice : Paul De bollivier
• Direction : Thierry Grosjean
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Optique et photonique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Besançon, Université Marie et Louis Pasteur
• Ecole(s) doctorale(s) : SPIM - Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Franche Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Département d'Optique

Mots clés

Mots clés libres

Plasmoniques

Nanophotonique

Moment angulaire de spin

Couplage spin-orbite

Plasmonics

Nanophotonics

Spin angular momentum

Spin orbit coupling

Résumé

Les ondes optiques possèdent, au‐delà de leur énergie et de leur moment linéaire, du moment cinétique (encore appelé moment angulaire). Le moment angulaire quantifie l'idée de rotation ou d'hélicité de la lumière : la rotation continue de la polarisation de la lumière porte du moment angulaire dit de spin, tandis que la structure de phase hélicoïdale ou la rotation du champ de la lumière produit du moment angulaire orbital. Ces deux contributions de spin et orbitales du moment angulaire sont des degrés de liberté de polarisation et d'espace de la lumière, respectivement. Ces deux composantes sont indépendantes dans les faisceaux paraxiaux, mais deviennent intrinsèquement couplées dans les champs lumineux non‐paraxiaux et/ou inhomogènes. Ce phénomène, baptisé interaction spin‐orbite optique (SOI en anglais), a récemment suscité un fort intérêt académique et industriel, tant du point de vue fondamental que du point de vue applicatif. Les phénomènes de SOI jouent un rôle crucial dans l'optique moderne à petite échelle, incluant la nanophotonique et la plasmonique. Des analogies ont très récemment été mises en évidence entre les effets de spin électroniques et optiques. De nombreuses manifestations du couplage spin‐orbite électronique existent dans les matériaux magnétiques, incluant par exemple l'apparition de vortex nanométriques de spins d'électron appelés skyrmions. Bénéficiant d'une protection « topologique », ces modes sont extrêmement robustes aux perturbations de leur environnement, les rendant très performants entre autres pour le traitement et la sauvegarde de l'information. En 2018, il a été montré pour la première fois l'existence de distributions de spin plasmoniques identiques à celles des skyrmions magnétiques, baptisées « skyrmions optiques ». Tout comme leur équivalent électronique, les skyrmions optiques sont « topologiquement protégés » et ouvrent ainsi de nouvelles perspectives pour un traitement de l'information classique et quantique mais également dans le domaine de la métrologie, de l'imagerie hyper‐résolue, etc. Nous proposons la transposition vers l'optique d'une autre manifestation du couplage spin‐orbite dans les matériaux magnétiques. L'objectif est l'étude et la démonstration d'un nouvel état photonique impliquant un couplage spin‐orbite optique dans des nano‐antennes plasmoniques. Ce nouvel état électromagnétique offre de nouveaux degrés de liberté dans la manipulation de la lumière (et de l'interaction lumière‐matière) et ouvre la voie vers une ''spin‐optique'' classique et quantique intégrée

In addition to their energy and linear momentum, optical waves possess spin and orbital angular momentum (SAM and OAM), which are polarization and spatial degrees of freedom of light, respectively. These components quantify the idea of rotation or helicity of light: the continuous polarization rotation of light carries the SAM, while the helical phase structure or field pattern rotation of light produces OAM. Whereas these two components are independent in paraxial beams, they become intrinsically coupled in light fields with high nonparaxiality and/or inhomogeneity. This phenomenon, called optical spin‐orbit interaction (SOI) has recently attracted much attention from fundamental and application point‐of‐views. The SOI phenomena play crucial roles in modern optics dealing with sub‐wavelength scale systems, including nano‐photonics and plasmonics. Analogies between electronic and optical spin effects have recently been demonstrated. Numerous manifestations of electron spin‐orbit coupling exist in magnetic materials, including nanoscale electron spin vortices called skyrmions. Benefiting from a ''topological protection”, these modes are extremely robust to perturbations of their environment, making them very efficient for information processing, data storage, and many other applications. In 2018, the existence of a plasmonic analog of the magnetic skyrmions, called “opticalskyrmions”, wasshown for the first time. Like their electronic counterpart, optical skyrmions are ''topologically protected'' and thus offers new prospects for classical and quantum information processing but also in the fields of metrology, subwavelength imaging, etc. We propose the transposition to optics of another manifestation ofspin‐orbit coupling in magnetic materials. The objective is to demonstrate a new photonic state involving optical spin‐orbit coupling in plasmonic nanoantennas. This new chiral electromagnetic mode opens new degrees of freedom in the manipulation of light and paves the way towards integrated classical and quantum “spin‐optics”.