Des mesures ultra précises pour optimiser les structures photoniques

Publié par Redbran le 06/05/2021 à 13:00
Source: CNRS INSIS
Une équipe de l'Institut Fresnel, en collaboration avec l'université de Sydney (Australie), a réalisé des mesures inédites de la fonction de Green d'un système photonique, autrement dit la fonction qui décrit la réponse d'un système à une impulsion. Cette méthode de caractérisation ouvre une nouvelle voie pour l'étude des interactions dipôle-dipôle intervenant dans de nombreux dispositifs photoniques comme les cellules photovoltaïques par exemple.


La mesure de la fonction de Green complexe entre deux dipôles dans une cavité permet de caractériser complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou...) l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) dipôle-dipôle et l'influence de la cavité sur différents phénomènes physiques comme la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) croisée (Croisée peut désigner :) d'états optiques (CDOS), le décalage de Lamb coopératif (CLS) et le transfert d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) (FRET). © Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) Fresnel (CNRS/AMU/Centrale Marseille)

La fonction de Green, qui décrit la réponse d'un système à une impulsion, joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les...) un grand rôle en électromagnétisme (L'électromagnétisme est une branche de la physique qui fournit un cadre très général d'étude...): sa connaissance permet d'optimiser des dispositifs dans de nombreux domaines tels que les cavités quantiques, la plasmonique, les métamatériaux, et le photovoltaïque. Cependant, le calcul analytique de cette fonction n'est possible que dans quelques cas simples, et le recours à la simulation numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...) exigerait des ressources informatiques importantes voire excessives pour les structures complexes. Pour caractériser complètement la fonction de Green d'un dispositif complexe, il est nécessaire de réaliser des mesures d'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) et de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) ultrarésolues dans l'espace: la résolution doit être très inférieure à la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) de l'impulsion électromagnétique (En télécommunication, la pulsation ou impulsion électromagnétique (IEM), electromagnetic pulse...).

Une performance impossible à atteindre dans le domaine de l'optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...), où les longueurs d'onde sont de l'ordre de quelques centaines de nanomètres. Dans le cadre de l'IRP ALPhFA1, des chercheurs de l'Institut Fresnel (CNRS/Aix-Marseille Université/École Centrale Marseille), en collaboration avec l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Sydney (Australie), ont choisi de s'attaquer au problème dans le domaine des microondes (longueurs d'onde de quelques centimètres). L'équipe a mis au point (Graphie) une méthode expérimentale (Une des bases de la démarche scientifique est l'expérimentation, c'est-à-dire le recueil de...) pour mesurer et caractériser pleinement la fonction de Green en enregistrant l'impédance (Le terme Impédance est utilisé dans plusieurs domaines:) mutuelle entre deux dipôles à des fréquences micro-ondes. L'efficacité de cette approche est démontrée en effectuant ces mesures à l'intérieur d'une cavité planaire (Les planaires sont des vers plats libres nageurs ou rampants. Des espèces vivent en mer,...) résonnante de miroirs parallèles ou non parallèles, à une résolution cent fois inférieure à la longueur d'onde. Les résultats obtenus sont conformes aux prédictions théoriques, ce qui confirme la validité de cette approche.

Cette méthodologie ouvre une voie pour l'étude des interactions dipôle-dipôle, qui interviennent dans de nombreux dispositifs photoniques, par exemple dans des cellules photovoltaïques ou des LED à base de molécules organiques. La fonction de Green étant largement utilisée en électromagnétisme, du domaine de l'optique jusqu'au radio-fréquences, ces résultats permettent d'envisager un large champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) d'applications. La nouvelle méthode de caractérisation de la fonction de Green pourrait aussi inspirer des développements dans d'autres domaines, notamment en acoustique (L’acoustique est une branche de la physique dont l’objet est l’étude des...).

Note:
1 - Projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...) de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) international de photonique entre la France et l'Australie (L’Australie (officiellement Commonwealth d’Australie) est un pays de...)

Références:
Complete electromagnetic dyadic Green function characterization in a complex environment - resonant dipole-dipole interaction and cooperative effects
K. Rustomji, M. Dubois, P. Jomin, S. Enoch, J. Wenger, C. Martijn de Sterke and R. Abdeddaim.
Physical Review X, Published 5 April 2021.
https://doi.org/10.1103/PhysRevX.11.021004

Contacts:
- Redha Abdeddaim - Professeur d'Aix-Marseille Université, Institut Fresnel (CNRS/Aix-Marseille Université/École Centrale Marseille) - redha.abdeddaim at fresnel.fr
- Stefan Enoch - Directeur de recherche au CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...), Institut Fresnel (CNRS/Aix-Marseille Université/École Centrale Marseille) - stefan.enoch at fresnel.fr
- Jérôme Wenger - Directeur de recherche au CNRS, Institut Fresnel (CNRS/Aix-Marseille Université/École Centrale Marseille) - jerome.wenger at fresnel.fr
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) INSIS - insis.communication at cnrs.fr
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