Institut des
NanoSciences de Paris
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Couplage déterministe à une nano-antenne

Une antenne est un dispositif permettant de faciliter le couplage entre un oscillateur électrique local et les ondes propagatives du champ électromagnétique. Si les antennes sont couramment utilisées pour l’émission et la réception des ondes radio, leurs analogues dans le domaine visible n’ont pu être abordés que depuis quelques années car leurs dimensions doivent être contrôlées de façon précise à des échelles de l’ordre de la longueur d’onde. Le positionnement de l’émetteur lumineux par rapport à l’antenne est un aspect particulièrement délicat du couplage.

Nous avons fabriqué des antennes « patch » dans lesquelles l’émetteur est situé 15 nm au-dessus d’un plan métallique et 15 nm en-dessous d’un disque métallique de 1 à 2 µm (fig. 1a). L’émetteur considéré est un agrégat de 50-100 nanocristaux (collab. ESPCI). Le centrage du disque métallique au-dessus de l’agrégat est assuré par un protocole de fabrication par « photolithographie in situ » effectué par P. Senellart au LPN (l’adaptation de ce protocole à des nanocristaux individuels est en cours de développement dans l’équipe).

L’observation de l’antenne par microscopie de fluorescence montre que l’émission est issue de toute la surface de l’antenne (elle se fait donc bien par l’intermédiaire des modes plasmoniques de l’antenne) et que l’intensité d’émission environ 10 fois supérieure à celle des émetteurs voisins non couplés à une antenne (fig. 1b). Le déclin de l’émission est entre 4 et 14 fois plus rapide que dans un milieu de référence homogène (fig. 1c). Une analyse plus sophistiquée des déclins permet de distinguer l’accélération des composantes horizontale et verticale des dipôles émetteurs (fig. 1d) et montre une accélération du déclin d’un facteur 20 à 80 pour un dipôle vertical, et 1 à 4 pour un dipôle horizontal.

Figure 1 : (a) Schéma de l’antenne « patch » étudiée ; (b) observation par microscopie de fluorescence (collab. IOGS) : l’émetteur couplé à une antenne apparaît au centre, beaucoup plus brillant que les émetteurs voisins non couplés ; (c) courbes de déclin de trois antennes de diamètres différents (rouge) et d’un émetteur dans un milieu de référence (silice homogène) ; (d) facteurs d’accélération extraits pour un dipôle vertical (bleu) ou horizontal (rouge).

 

Collaborations :
- Pascale Senellart au LPN (Marcoussis)

- Jean-Jacques Greffet et François Marquier à l’IOGS (Palaiseau)

- Benoît Dubertret et Thomas Pons à l’ESPCI (Paris)

 

Communications :

- C. Belacel, A. Raj Dhawan, F. Bigourdan, B. Habert, X. Lafosse, F. Marquier, L. Coolen, B. Dubertret, J.-J. Greffet, P. Senellart et A. Maître, Deterministical coupling of nanocrystal to plasmonic patch antenna : Purcell effect and directionality, International Conference on Nanoscience + Technology (ICN+T), Vail (Etats-Unis), 21-25 juillet 2014,

- C. Belacel, A. Raj Dhawan, B. Habert, F. Bigourdan, F. Marquier, L. Coolen, X. Lafosse, B. Dubertret, J.-J. Greffet, P. Senellart et A. Maître, Purcell effect and directional emission in a plasmonic patch antenna, Spie Photonics Europe (Bruxelles, 14-18 avril 2014)

- C.Belacel, B.Habert, F. Bigourdan, C. Javeaux, L. Coolen, C.Schwob, S.Michaelis De Vasconcellos, X.Lafosse, B. Dubertret, F. Marquier, P. Senellart, JJ. Greffet, A. Maître, Emission in plasmonics patch nanoantennas, Surface Plasmon Polariton 6, Ottawa (27-31 mai 2013),

- C.Belacel, B.Habert, F. Bigourdan, C. Javeaux, L. Coolen, C.Schwob, S.Michaelis De Vasconcellos, X.Lafosse, B. Dubertret, F. Marquier, P. Senellart, J.-J. Greffet et A. Maître, Emission in plasmonics patch nanoantennas, Photonics West, San Francisco 02/2013

- C. Belacel, B. Habert, F. Bigourdan, F. Marquier, J.-P. Hugonin, S. Michaelis de Vasconcellos, X. Lafosse, L. Coolen, C. Schwob, C. Javaux, B. Dubertret, J.-J. Greffet, P. Senellart et A. Maître, Controlling Spontaneous Emission with Plasmonic Optical Patch Antennas, Nano Lett. 13, 1516 (2013),

- C. Belacel, X. Lafosse , B. Malher, B. Dubertet, A. Maître , P. Senellart, Nanocristaux en cavité micropilier en vue de la réalisation d’une source de photons uniques efficace à température ambiante, Journées Nationales de l’Optique Guidée, Besançon, 20-22 octobre 2010,