Un aiguillage nanométrique pour les plasmons
Afin de miniaturiser les systèmes optiques, les chercheurs ont besoin d’un meilleur contrôle des flux lumineux à petite échelle. Une équipe de l’Institut Femto-ST a obtenu un couplage directionnel de la lumière, capable de diriger la propagation de plasmons de surface dans un guide d’onde nanométrique. Basés sur l’utilisation de l’interaction spin-orbite optique, ces travaux sont publiés dans la revue Nano Letters.
Les plasmons de surface sont formés par l’oscillation collective des électrons libres à la surface d’un métal placé sous illumination. Cet état particulier de la lumière produit des ondes optiques confinables à l’échelle nanométrique, ce qui ouvre d’importantes perspectives pour la miniaturisation des systèmes optiques. Le développement de fonctions optiques avancées ultracompactes nécessite cependant de contrôler dynamiquement ces flux plasmoniques.
Des chercheurs de l’Institut Femto-ST (CNRS/Université Technique Belfort-Montbéliard/Université de Franche-Comté/ENS2M) ont conçu une excitation directionnelle des plasmons nanométriques guidés, contrôlée par la polarisation de la lumière incidente. Le guide de 50nm de large est creusé, par faisceau d’ions focalisés, dans une fine couche d’or déposée sur un substrat de verre. Le système les aiguille vers la droite ou la gauche, en direction de nano-antennes connectées aux deux extrémités du nano-guide optique. L’ellipticité du champ lumineux contrôle à elle seule le flux plasmonique distribué dans les deux bras du guide nanométrique et les nano-antennes, en bout de guide, assurent un découplage efficace en espace libre.
Les chercheurs utilisent pour cela l’interaction spin-orbite optique. Comme ils se déplacent le long d’un guide courbé, les plasmons acquièrent un moment orbital. Si la courbure est suffisamment petite, ce moment orbital peut devenir équivalent au moment de spin des photons d’une onde lumineuse incidente au guide. Comme la polarisation de cette lumière agit sur le moment de spin des photons, elle influe aussi sur le moment orbital des plasmons et permet donc de contrôler la directivité des flux optiques. Outre les applications pour les circuits imprimés optiques à très grande vitesse d’opération, ces travaux ouvrent la voie à des analyses optiques locales (polarimétrie, analyses comparatives, etc.).
Ces travaux sont soutenus par le Laboratoire d’excellence ACTION.
À gauche : Image au microscope électronique à balayage du dispositif expérimental. Les deux nano-antennes (coaxiales) sont connectées aux deux extrémités du guide nanométrique courbé (50nm de large).
À droite : Schéma de principe du couplage plasmonique unidirectionnel accordable par la polarisation de la lumière incidente. L’excitation des plasmons est réalisée dans la courbure du guide par un faisceau lumineux polarisé (exemple : polarisation circulaire gauche, plasmon lancé sélectivement à gauche représenté en bleu). Les plasmons sont lancés dans les deux directions en polarisation linéaire. Ils sont efficacement découplés dans l’espace libre par les nano-antennes (concentrations lumineuses représentés en blanc).
Références :
Directing Nanoscale Optical Flows by Coupling Photon Spin to
Plasmon Extrinsic Angular Momentum
Yannick Lefier, Roland Salut, Miguel Angel Suarez, and Thierry Grosjean
Nano Lett., 2018, 18 (1), pp 38–42
DOI : 10.1021/acs.nanolett.7b02828
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.7b02828