Des mesures ultra précises pour optimiser les structures photoniques

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 ALPhFAProjet de recherche international de photonique entre la France et l'Australie, 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.

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