Le contrôle à l'échelle nano de l'arrangement moléculaire de fluorophores organiques optiquement actifs sur une couche de métal ouvre la voie à des nanosources de lumière plus efficientes et faciles à fabriquer. Il permet aussi d'envisager de compenser les pertes de propagation de la lumière dans des guides plasmoniques.

Dans cet article, issu d'une collaboration entre deux équipes du C2N/Marcoussis et du CEA/Saclay, nous démontrons expérimentalement comment la maîtrise de l'auto-organisation de molécules organiques permet de maximiser l'interaction électromagnétique entre ces dernières et un mode plasmonique. Il en résulte un milieu actif ultra-dense constitué de fluorophores couplés, dont le contrôle de l'interaction à l'échelle nano avec le mode de plasmon de polaritons est mis en évidence, d'une part par l'observation du régime de couplage fort en absorption, et d'autre part, par l’émission des molécules couplée principalement aux modes de plasmons guidés en surface.

Référence: Strong Coupling between Self-Assembled Molecules and Surface Plasmon Polaritons
J. Bigeon, S. Le Liepvre, S. Vassant, N. Belabas, N. Bardou, C. Minot, A. Yacomotti, A. Levenson, F. Charra, and S. Barbay

The Journal of Physical Chemistry Letters 2017, 8 (22), pp 5626–5632

Contact NanoSaclay: Sylvain Barbay, C2N

Collaboration: CEA SPEC, Saclay

Le développement de réseaux quantiques d’information passe par l’utilisation de systèmes compacts et fiables de traitement. Les plasmons de surface ou les plasmons localisés sont des modes électromagnétiques confinés sur/dans des nanostructures métalliques et peuvent être intéressants dans ces applications. Leurs propriétés quantiques commencent seulement à être explorées expérimentalement.

Les plasmons-polaritons de surface, ou plasmons de surface, sont des modes électromagnétiques qui se propagent le long d’interfaces métal / diélectrique. D’un point de vue microscopique, ils sont issus du couplage entre des ondes électromagnétiques et des modes d’oscillation collective des électrons du métal. D’un point de vue quantique, ils se comportent comme des bosons. Nous utilisons ici une plateforme plasmonique qui nous permet d’exciter, combiner ou séparer, puis détecter des plasmons de surface. Grâce à cette plateforme, nous avons pu montrer de manière directe et non-équivoque la dualité onde-corpuscule d’un plasmon de surface unique.

Référence : Single-plasmon interferences

M.-C. Dheur, E. Devaux, T. W. Ebbesen, A. Baron, J.-C. Rodier, J.-P. Hugonin, P. Lalanne, J.-J. Greffet, G. Messin, F. Marquier. Science Advances 2, e1501574 (2016)

Contact NanoSaclay: François Marquier, Laboratoire Charles Fabry, Institut d’Optique.

Collaborations:

• Institut de Science et d’Ingénierie Supramoléculaire, Strasbourg
• Centre de Recherche Paul Pascal, Pessac
• Laboratoire Photonique, Numérique et Nanosciences, Institut d’Optique, Talence

Le dioxyde de titane est le photocatalyseur le plus étudié car il est performant, peu cher et très stable. Néanmoins, il est actif sous irradiation dans l’UV qui ne constitue qu’environ 4% du spectre solaire. Le développement de matériaux photocatalytiques efficaces sous irradiation dans le domaine visible reste un défi important et permettrait d’utiliser de manière plus rationnelle l’énergie solaire et ainsi apporter des solutions à de nombreux problèmes environnementaux.

Des chercheurs d’une équipe du LCP faisant partie du Labex NanoSaclay viennent de synthétiser des nanofils de polymères semi-conducteurs par photopolymérisation. Ces nanofils qui dégradent entièrement des polluants organiques en CO₂ et H₂O montrent une activité photocatalytique élevée sous illumination dans le visible ou l’UV. Ce travail a fait l’objet d’un article dans le journal Nature Materials.

Référence: Conducting polymer nanostructures for photocatalysis under visible light

S. Ghosh, N. A. Kouamé, L. Ramos, S. Remita, A. Dazzi, A. Deniset-Besseau, P. Beaunier, F. Goubard, P.-H. Aubert, H. Remita Nature Materials 2015,14 : 505–511

Contact NanoSaclay: H. Remita, Laboratoire de Chimie Physique, Bât. 349, Université Paris-Sud, 91405 Orsay

Collaborations:

• Laboratoire Charles Coulomb (L2C) UMR 5221 CNRS-Université de Montpellier
• Laboratoire de Réactivité de Surface Sorbonne Universités, UPMC Univ. Paris 06, UMR 7197-CNRS
• Laboratoire de Physicochimie des Polymères et des Interfaces (LPPI), Université de Cergy-Pontoise

Les boîtes quantiques semiconductrices ont attiré beaucoup d’attention dans le contexte de l’information quantique, car elles permettent d’émettre des photons aux excitantes propriétés quantiques. De plus, elles peuvent être insérées dans des microcavités optiques apportant une forte exaltation de l’interaction lumière-matière. Ceci permet de réaliser une communication efficace entre des photons messagers et une mémoire quantique permettant de stocker l’information quantique.

L'équipe de P. Senellart et L. Lanco (groupe GOSS du LPN) a récemment développé une interface spin-photon, pour laquelle le spin d’une charge à l’intérieur d’une boîte quantique semiconductrice est utilisé comme mémoire quantique que l’on peut adresser optiquement. L'interface utilise l’effet de rotation Faraday: lorsqu’un photon interagit avec un spin unique, sa polarisation est tournée de façon dépendante de l’état de spin. Le principal fait marquant est l’obtention, grâce à l’électrodynamique en cavité, d’une exaltation par trois ordres de grandeur de la rotation Faraday. Cette rotation Faraday géante ouvre la voie à de toutes nouvelles expériences d’information quantique où l’on interroge l’état de spin à l’aide d’un seul photon, brique de base d’un futur réseau de communication quantique.

Référence: Macroscopic rotation of photon polarization induced by a single spin
C. Arnold, J. Demory, V. Loo, A. Lemaître, I. Sagnes, M. Glazov, O. Krebs, P. Voisin, P. Senellart & L. Lanco
Nature Communications 2015,6: 6236

Contact NanoSaclay: L. Lanco ou P. Senellart, Laboratoire de Photonique et de Nanostructures, CNRS UPR 20, Marcoussis

Collaboration: Ioffe Physical-Technical Institute of the RAS, St-Petersburg, Russie

Un nouveau mécanisme d’émission cohérente a été mis en évidence ces dernières années dans les microcavités à semiconducteurs. Elle provient d’une accumulation très importante dans un même état quantique (condensat) de quasi-particules hybrides lumière matière appelées polaritons de cavité.  Un débat scientifique s’est développé concernant la véritable distinction entre ce système et les lasers photoniques plus conventionnels.

En utilisant une combinaison ingénieuse de spectroscopie infra-rouge et Thz à l’échelle picoseconde, l’équipe de Jacqueline Bloch au Laboratoire de Photonique et de Nanostructures en collaboration avec celle du Professeur Ruper Huber de l’Université de Regensburg en Allemagne, ont sondé les transitions internes des polaritons excitoniques. Ils ont prouvé directement l’existence de la partie matière d’un condensat de polaritons. Outre son importance pour la compréhension profonde de ces condensats, ce résultat ouvre la voie vers de nouvelles méthodes de manipulation et contrôle cohérent des polaritons.

Référence : Revealing the dark side of a bright exciton–polariton condensate
J.-M. Ménard, C. Poellmann, M. Porer, U. Leierseder, E. Galopin, A. Lemaître, A. Amo, J. Bloch & R. Huber. Nature Communications (2014), 5

Contact NanoSaclay: Jacqueline Bloch, Laboratoire de Photonique et de Nanostructures, LPN/CNRS, Route de Nozay, 91460 Marcoussis

Collaboration: Université de Regensburg, Département de Physique, 93040 Regensburg, Allemagne
 

Savoir propager et contrôler la lumière dans des circuits photoniques est un enjeu majeur du traitement tout optique de l’information.

L’équipe de Jacqueline Bloch au LPN a démontré la preuve de concept d’un nouvel interféromètre de Mach-Zehnder. Il est basé sur la propagation de quasi-particules hybrides lumière matière appelées polaritons de cavité que l’on peut générer dans des semiconducteurs. Les fortes non-linéarités de ce système permettent de contrôler la transmission du dispositif et la polarisation de la lumière de manière tout optique.

Référence : All-optical phase modulation in a cavity-polariton Mach–Zehnder interferometer. C. Sturm, D. Tanese, H.S. Nguyen, H. Flayac, E. Galopin, A. Lemaître, I. Sagnes, D. Solnyshkov, A. Amo, G. Malpuech & J. Bloch.
Nature Communications (2014), 5

Contact NanoSaclay: Jacqueline Bloch, Laboratoire de Photonique et de Nanostructures, LPN/CNRS, Route de Nozay, 91460 Marcoussis

Collaborations:
• Universität Leipzig, Institut für Experimentelle Physik II, Germany
• Institut Pascal, PHOTON-N2, Clermont Université, 63177 Aubière