Des mesures ultra précises pour optimiser les structures photoniques

Résultat scientifique Photonique

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 fonction de Green, qui décrit la réponse d'un système à une impulsion, joue un grand rôle en électromagnétisme : 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 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 et de phase ultrarésolues dans l'espace : la résolution doit être très inférieure à la longueur d'onde de l'impulsion électromagnétique.

Une performance impossible à atteindre dans le domaine de l'optique, 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 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 une méthode expérimentale pour mesurer et caractériser pleinement la fonction de Green en enregistrant l'impédance 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 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 d'applications. La nouvelle méthode de caractérisation de la fonction de Green pourrait aussi inspirer des développements dans d'autres domaines, notamment en acoustique.

a mesure de la fonction de Green complexe entre deux dipôles dans une cavité permet de caractériser complètement l'interaction dipôle-dipôle et l'influence de la cavité sur différents phénomènes physiques comme la densité croisée d'états optiques (CDOS), le décalage de Lamb coopératif (CLS) et le transfert d'énergie (FRET).   © Institut Fresnel (CNRS/AMU/Centrale Marseille)
La mesure de la fonction de Green complexe entre deux dipôles dans une cavité permet de caractériser complètement l'interaction dipôle-dipôle et l'influence de la cavité sur différents phénomènes physiques comme la densité croisée d'états optiques (CDOS), le décalage de Lamb coopératif (CLS) et le transfert d'énergie (FRET). 
© Institut Fresnel (CNRS/AMU/Centrale Marseille)

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

  • 1. Projet de recherche international de photonique entre la France et l'Australie

Contact

Redha Abdeddaim
Professeur d'Aix-Marseille Université, Institut Fresnel (CNRS/Aix-Marseille Université/École Centrale Marseille)
Stefan Enoch
Directeur de recherche au CNRS, Institut Fresnel (CNRS/Aix-Marseille Université/École Centrale Marseille)
Jérôme Wenger
Directeur de recherche au CNRS, Institut Fresnel (CNRS/Aix-Marseille Université/École Centrale Marseille)
Communication INSIS