Manipulation des interactions électromagnétiques en champ proche

Manipulation of Electromagnetic Near-field Interactions

• Auteur / Autrice : Kseniia Lezhennikova
• Direction : Stefan Enoch, Redha Abdeddaim
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : OPTIQUE, PHOTONIQUE ET TRAITEMENT D'IMAGE
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut FRESNEL - Sciences et Technologies de l'Optique, l'Electromagnétisme, et l'Image
• Jury : Président / Présidente : Frédérique Gadot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stefan Enoch, Redha Abdeddaim, Anne Sentenac, Stanislav Glybovski, Boris Kuhlmey, Matthieu Davy, Julien De rosny
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Matthieu Davy, Julien De rosny

Mots clés

Mots clés libres

Champ proche

Transfert d'énergie

Métasurface

Cristal photonique

Near-field

Energy transfer

Metasurface

Photonic crystal

Résumé

Cette thèse explore les interactions en champ proche et le contrôle dans les domaines de fréquence micro-onde et térahertz (THz). Dans le domaine optique, les émetteurs quantiques, tels que les atomes, les molécules et les points quantiques, sont capables d'émettre des photons dans l'environnement par émission spontanée. Le processus d'émission spontanée est caractérisé par le facteur de Purcell, qui est affecté par l'environnement de l'émetteur à travers la densité locale des états (LDOS). Le transfert d'énergie par résonance de Förster (FRET) est un phénomène qui se produit entre des paires d'émetteurs, placées à proximité l'une de l'autre. Le FRET est largement utilisé dans la capture d'énergie solaire, l'optoélectronique, la biophysique, etc. Tout comme le LDOS, le FRET est affecté par un champ électrique proche de l'émetteur et peut être contrôlé par l'environnement. Le contrôle du FRET par l'environnement suscite un intérêt croissant; cependant, les mesures aux fréquences optiques sont difficiles, notamment en raison de signaux faibles et d'une résolution spatiale limitée. Pour relever ces défis, des mesures d'antenne dans la gamme des micro-ondes ont été proposées comme analogie du FRET optique, afin de contourner les difficultés liées à la résolution spatiale et d'obtenir un contrôle d'orientation précis. Ce travail aborde la question de la taille de l'antenne sur les mesures de transfert d'énergie micro-onde en espace libre et à proximité d'un miroir parfaitement conducteur et propose une méthode de moyennage orienté. L'influence des métasurfaces et des cristaux photoniques (PC) sur la manipulation en champ proche est explorée. Les métasurfaces sont des structures artificielles avec une périodicité sub-longueur d'onde conçues pour avoir des propriétés uniques de contrôle des ondes électromagnétiques. Nous considérons les métasurfaces hyperboliques et un paradoxe de réflexion anormale au bord des métasurfaces hyperboliques. Ensuite, nous concevons des métasurfaces qui supportent les ondes de surface pour explorer l'amélioration du taux de FRET et sa relation avec le LDOS. Dans la plage de fréquences THz, nous explorons les PC, présentant des bandes interdites photoniques et des régimes d'auto-collimation. Dans cette plage, les mesures en champ proche restent difficiles, et nous proposons un nouveau montage expérimental pour montrer les propriétés hautement dispersives du PC. Cette thèse présente une investigation exhaustive allant des fondements théoriques aux démonstrations expérimentales. Les chapitres sont consacrés aux fondements théoriques, au transfert d'énergie basé sur les antennes, à l'exploration des métasurfaces et aux nouvelles mesures en champ proche dans la plage THz en utilisant des cristaux photoniques. La thèse se conclut en décrivant les voies futures de recherche, en expliquant la relation complexe entre les phénomènes en champ proche et les mécanismes de transfert d'énergie, et en soulignant le potentiel de l'environnement photonique local pour moduler les processus de transfert d'énergie.

This thesis explores near-field interactions and control in the microwave and Terahertz (THz) frequency domains. In the optic range, Quantum emitters, such as atoms, molecules, and quantum dots, are able to emit photons into the environment by spontaneous emission. The spontaneous emission process is characterized by the Purcell factor, which is affected by the emitter environment through the local density of states (LDOS). Förster Resonance Energy Transfer (FRET) is a phenomenon that occurs between pairs of emitters, placed near each other. FRET is widely used in solar energy harvesting, optoelectronics, biophysics, etc. Similarly to the LDOS, FRET is affected by an electric near field of the emitter and can be controlled by the environment. Controlling FRET by the environment is gaining interest; however, measurements at optical frequencies are challenging, including weak signals and limited spatial resolution. To address the challenges, antenna measurements in microwave range were proposed as an analog of optical FRET, to circumvent the difficulties associated with spatial resolution and achieve a precise orientation control and a precise orientation control. This work addresses the issue of antenna size on microwave energy-transfer measurements in free-space and near a perfectly conductive mirror and proposes an orientational averaging method. The influence of metasurfaces and photonic crystals (PCs) on near-field manipulation is explored. Metasurfaces are artificial structures with subwavelength periodicity designed to have unique properties for electromagnetic wave control. We consider hyperbolic metasurfaces and an anomalous reflection paradox at the edge of hyperbolic metasurfaces. Then, we designed metasurfaces that support surface waves to explore the FRET rate enhancement and its relationship with LDOS. In the THz frequency range, we explore PCs, exhibiting photonic band gaps and self-colimation regimes. In this range, the near-field measurements remain challenging, and we propose a novel experimental setup to show the highly dispersive properties of the PC. This thesis presents a comprehensive investigation that ranges from theoretical foundations to experimental demonstrations. The chapters are devoted to theoretical foundations, antenna-based energy transfer, metasurface exploration, and novel near-field measurements in the THz range using photonic crystals. The thesis concludes by describing future avenues of research, explaining the complex relationship between near-field phenomena and energy transfer mechanisms, and highlighting the potential of the local photonic environment to modulate energy transfer processes.