Plasmons, Surface Plasmons Polaritons and Nanoptics application

Physique de la matière condensée et nano-objets
Davide Colombo
29 Mai 2012
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Plasmons
 Quantum d’oscillation du plasma
(oscillation de densité de charges libres)
 Excitation collective
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Fréquence Plasma


d r
m 2
eE r , t
dt 


j
2
j r,t
t
  
da j r , t
d
dt
d 2Q
dt 2
4 ne2
Q
m
CGS
4 ne
m
p
Ep
n0 e 2
m

p
2
5 15 eV

dr
n0 e
dt

E r,t
n0e 2
m
Q

da E
Q0e
SI
p
i
pt
ne 2
0m
3
Permittivité diélectrique

,k

P
D
E

d r
m 2
dt
2

eE
E
e
i t

r
e 
E
2
m
ne2 
E
m

n0 er
P
1 4
E
1
4 ne2
1
m 2
2
p
2
4
Plasmon Polaritons de Surface
Plasmons de Surface
 Transverse magnétiques
 Fortement localisés (“évanescents”)
Plasmon Polaritons
 Couplage photon – plasmon
 propagation jusqu'au mm
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Relation de dispersion - Volume
Ondes électromagnétiques dans un gaz d’électrons libres

D
2
t
2
c
2
2

E

E
e

i t ik r
e

,k
2
c 2k 2
Equation d’onde
2
2
p
2 2
ck
6
Relation de dispersion – SPs – 1
dielectric
metallic
Dans le moyen i :

Hi
i

dEi
dt
Continuité à la surface
ik zi H yi ,0, ik xi H yi
k zm H ym
m
k zd H yd
d
E xm
E xd
H ym
H yd
i
i
E xi ,0, i
i
E zi
E xm
E xd
k zm
k zd
m
d
7
Relation de dispersion – SPs – 2
Pour toutes les surfaces :
k xm
k xd
Si on suppose que μ=1 et ky=0
k sp
d
c
d
m
m
Relation de dispersion des plasmons surfaciques
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Couplage photon-plasmon
 Différent moment:
k sp
k sp
k 0
d
k0
d
diffusion par un défaut
m
m
couplage avec prismes
rugosité périodique
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Couplage photon-plasmon
 Décadence exponentielle perpendiculairement à la surface
 Atténuation par absorption dans le métal
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Nanocircuits
11
Nanocircuits
Channeling Surface Plasmons
Microscope optique en champ proche (NSOM)
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Métamatériaux plasmoniques
Métamatériaux:
matériaux avec propriétés électromagnétiques qui n’existent pas en nature
Métamatériaux à main gauche:
•
•
•
•
indice de réfraction négatif
vitesse de phase et groupe opposées
effet Doppler inversé
effet Tcherenkov inversé
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Métamatériaux plasmoniques
Métamatériaux à bandes photonique (PBG) - à SPs bandes
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Métamatériaux plasmoniques
Images sous longueur d’onde (subwavelength imaging)
voir structures plus petites de la longueur
d’onde de la lumière visible par moyen des
images optiques
 Superlentille
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Transmission optique extraordinaire
EOT: amélioration de la transmission de la lumière par
moyen d’ouvertures (trous) de dimensions inférieur à la
longueur d’onde et périodiques.
Modulation des propriétés :
• dimensions
• distances
Effets de:
• tunneling
• résonance
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Résonance des plasmons de surface
SPR: oscillation collective des électrons de valence d’un solide stimulé par
lumière incident avec fréquence correspondent à la fréquence plasma
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Conclusions
Développements futurs:
 réutilisation d’une partie de l’énergie des OLED
 composants photoniques non linéaires
 nouvelles technologies dans les domaines sous
longueur d’onde
 Spinning-plasmonics
Merci pour votre attention
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Bibliographie
 W.L.Barnes et al., “Surface plasmon subwavelength optics”, Nature vol.
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24, (2003)
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A.V.Zayat et al., “Nano-optics of surface plasmon polaritons”, Physics
Reports 408 (2005)
C.Kittel, “Introduction to solid state physics”
Notes du cours “Nanostructured Materials”, M.Del Zoppo, Politecnico
di Milano
J.R.Sambles et al., “Optical excitation of surface plasmons: an
introduction”, Contemporary physics vol. 32 (1991)
M.Beruete et al., “Left-handed extraordinary optical transmission
through a photonic crystal of subwavelength hole arrays”
S.I.Bozhevolnyi, “Channeling Surface Plasmons”, Photonics spectra
(2006)
19