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Accueil du site > Nanooptique de Métamatériaux

PROPOSITION DE SUJET DE THESE
Années 2010-2013

Nom Laboratoire : Laboratoire de Physique des Solides

Code d’identification CNRS : UMR8502

Noms des responsables de la thèse : M. Kociak et O. Stéphan Téléphone : 01 69 15 53 61/69 e-mail : kociak@lps.u-psud.fr, stephan@lps.u-psud.fr

Lieu de la thèse : Batiment 510, Centre Universitaire, 91405 ORSAY

 

TITRE : Nanooptique de Métamatériaux

 

Projet scientifique :

Les métamatériaux photoniques sont des structures artificielles dont les propriétés optiques diffèrent radicalement de celles de matériaux naturels. Le stéréotype est le cristal photonique, formé par la répétition d’un motif (en général un trou dans un matériau donné) de période proche des longueurs d’onde d’intérêt. Les états photoniques formant des ondes de Bloch, un tel métamatériau présente des gaps optiques à des énergies dictées uniquement par la périodicité de la structure et largement indépendantes des propriétés du matériau lui-même. Plus récemment, une nouvelle classe de métamatériau a été introduite, celle des métamatériaux dits gauches ou à indice négatifs. Dans ces matériaux, l’énergie se déplace en sens opposé à la phase, ce qui induit une série de propriétés remarquables. La plus spectaculaire est la réfraction négative de la lumière (la lumière est réfractée du "mauvais côté" de la normale), à l’origine de multiples applications (imagerie super-résolue, capes d’invisibilité...) dont l’intérêt est évident dans le spectre visible. Si la nature négative de l’indice optique a déjà été prouvée dans une large gamme spectrale, d’autres prédictions restent à démontrer, comme l’effet Doppler inverse, la pression radiative négative ou l’effet Cerenkov inverse.

Ces métamatériaux sont constitués d’éléments artificiels, essentiellement des nanostructures métalliques, appelés atomes photoniques, dont les dimensions sont de l’ordre de la longueur d’intérêt. Du fait de la difficulté de fabriquer des structure parfaite à des tailles sous-longueur d’onde dans le visible (i.e < 500 nm), ce n’est que très récemment que de telles structures ont été réalisées.

Tout comme la compréhension des matériaux naturels passent par la compréhension des atomes les constituants et leur agencement, la compréhension des métamatériaux passe par l’étude des atomes photoniques et leur agencement. Les propriétés de ces atomes sont encore très mal connues.

Le sujet proposé est d’étudier des métamatériaux à indices négatifs dans le visible à des échelles inférieures non seulement aux longueurs d’onde visible, mais plus encore inférieures aux dimensions des atomes photoniques.

Pour cela, les techniques optiques standards sont en général inadaptées, car limitées par la limite de diffraction. Nous utiliserons des techniques originales utilisant des électrons rapides comme source de lumière blanche de dimension nanométrique. Nous avons ainsi récemment démontré, en utilisant de la microscopie électronique en transmission alliée à des spectroscopies de perte d’énergie électronique et de cathodoluminescence, qu’il était possible de mesurer les variations spatiales des ondes lumineuses dans le visible dans des nanoparticules métalliques à des échelles inférieures à 10 nm. Nous nous proposons d’utiliser ces techniques novatrices pour comprendre comment se comporte la lumière dans différents métamatériaux gauches et dans les atomes photoniques les constituant. Ceci inclut l’étude des ondes de Maxwell (essentiellement plasmoniques) dans ces systèmes, ainsi que l’effet Cerenkov inverse.

Le sujet s’adresse à un(e) candidat(e) curieux(se), aimant l’expérimentation et les développements théoriques nouveaux. Si vous êtes intéressé(e), n’hésitez pas à nous contacter pour en discuter !