Une première mise en évidence des ondes non-linéaires autoconfinées au sein de structures plasmoniques

Publié par Adrien le 27/11/2020 à 09:00
Source: CNRS INSIS
Des chercheurs et des chercheuses de l'Institut Fresnel et de FEMTO-ST ont pour la première fois observé expérimentalement des ondes non-linéaires autoconfinées dans des structures plasmoniques. Ces travaux, publiés dans la revue ACS Photonics, sont accompagnés d'une correction de la version spatiale de l'équation de Schrödinger (L'équation de Schrödinger, conçue par le physicien autrichien Erwin Schrödinger en 1925, est...) non-linéaire.

Prédites depuis plus de quarante ans, les ondes non-linéaires autoconfinées dans des structures plasmoniques sont des ondes qui se propagent, pour partie, dans un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) diélectrique non-linéaire, ainsi que dans un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des...) qui assure une forte localisation spatiale du champ électromagnétique (Un champ électromagnétique est la représentation dans l'espace de la force...), mais qui augmente les pertes. Malgré les récentes avancées de la plasmonique, différents problèmes techniques et théoriques empêchaient jusqu'ici d'observer ces ondes. Des chercheurs et des chercheuses de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) Fresnel (CNRS/AMU/Centrale Marseille) et du laboratoire FEMTO-ST (CNRS/UTBM/UFC/ENSMM), en collaboration avec l'Institut des sciences chimiques de Rennes (ISCR, CNRS/INSA Rennes/ENSC Rennes/Univ. Rennes 1), l'Institut d'électronique et des technologies du numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...) (IETR, CNRS/INSA Rennes/Univ. Rennes 1/Univ. de Nantes/CentraleSupélec) et l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Pardubice (République tchèque) ont apporté les toutes premières preuves expérimentales de l'existence des ondes non-linéaires autoconfinées dans des structures plasmoniques.


Schéma de principe de l'expérience avec un motif en or (en jaune) situé sur la partie supérieure de la structure planaire, séparé par une fine couche de silice (La silice est constituée de dioxyde de silicium, un composé chimique qui entre dans la...) (en bleu) posée sur la couche de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile...) hautement non-linéaire (en vert). Le faisceau lumineux indicent est représenté par la flèche rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...) en entrée de la structure.
© Tintu Kuriakose, Gilles Renversez, et Mathieu Chauvet

Les scientifiques ont pour cela dû fabriquer une structure plasmonique adéquate, identifiée et conçue grâce à de nombreuses simulations réalisées en amont. Elle est principalement constituée d'une couche micrométrique de verre de chalcogénure hautement non-linéaire et peu photosensible recouverte d'une couche de dix nanomètres de silice. Les régions plasmoniques sont obtenues par dépôt d'une couche d'or d'une trentaine de nanomètres d'épaisseur sur la silice. Le faisceau lumineux injecté dans la structure est émis 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 réversible...) utilisée pour les télécommunications (Les télécommunications sont aujourd’hui définies comme la transmission à distance...) fibrées. Il provient d'une source laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...) intense et brève. Les comparaisons entre résultats expérimentaux et simulations numériques sont bonnes car l'équipe avait auparavant corrigé le terme non-linéaire dans la version spatiale de l'équation (En mathématiques, une équation est une égalité qui lie différentes quantités, généralement...) de Schrödinger non-linéaire.

Les scientifiques ont montré que ce terme avait en fait besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est...) d'un facteur correctif adapté à chaque structure étudiée. La mise en évidence de l'existence de ces ondes non-linéaires autoconfinées au sein de structures plasmoniques, ainsi que l'amélioration du bagage théorique, va relancer la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) sur le sujet. À terme, l'objectif serait de mieux contrôler ces phénomènes non-linéaires pour pouvoir d'employer des sources laser moins intenses, afin de les utiliser pour des applications en nanophotonique.

Références:
Nonlinear Self-Confined Plasmonic Beams: Experimental Proof.
T. Kuriakose, G. Renversez, V. Nazabal, M. M. R. Elsawy, N. Coulon, P. Němec, and M. Chauvet.
ACS Photonics, vol. 7(9), pp. 2562-2570, (2020)
https://doi.org/10.1021/acsphotonics.0c00906
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