Pascale Nasr, doctorante dans l’équipe Nanophotonique et optique quantique.
Harvesting the Magnetic Field of Light at the Nanoscale
Résumé
Les interactions lumière-matière sont presque uniquement décrites et exploitées à travers la composante électrique du champ électromagnétique. Pourtant, la lumière possède également un champ magnétique qui, bien que son couplage avec la matière soit généralement quatre à cinq ordres de grandeur plus faible, peut induire des transitions spécifiques dans certains émetteurs quantiques. Les ions lanthanides trivalents, et en particulier l’europium (Eu³⁺), présentent dans le domaine spectral visible des transitions dipolaires électriques et magnétiques d’intensités comparables, ce qui en fait des sondes et des sources uniques de lumière magnétique.
Cette thèse étudie comment des nanostructures photoniques conçues à cet effet peuvent capter, amplifier et contrôler le champ magnétique de la lumière à l’échelle nanométrique, et comment ce contrôle peut être exploité pour modifier l’émission spontanée des ions Eu³⁺. Deux types d’antennes complémentaires sont étudiées : la première repose sur des nano-cylindres de silicium supportant des résonances de Mie magnétiques à faibles pertes, la seconde repose sur des nano-fentes rectangulaires réalisées dans un film d’aluminium qui se comportent comme des antennes dipolaires magnétiques.
Les résultats obtenus montrent que l’on peut, par une ingénierie des nano-antennes, sélectivement renforcer l’émission magnétique de l’Eu³⁺, ouvrant des perspectives intéressantes en nanophotonique en établissant le champ magnétique de la lumière comme un degré de liberté pleinement exploitable, avec des applications potentielles en spectroscopie, en détection, dans les interactions lumière-matière chirales et dans le développement de nouvelles sources de lumière à l’échelle nanométrique.
Abstract
Light-matter interactions at optical frequencies are almost universally described, and exploited, through the electric component of the electromagnetic field. Yet light also carries a magnetic field which, although its coupling to matter is typically four to five orders of magnitude weaker, drives specific transitions in certain quantum emitters. Trivalent lanthanide ions, and europium (Eu³⁺) in particular, exhibit both electric dipole (ED) and magnetic dipole (MD) transitions of comparable strength in the visible range, making them unique probes and sources of magnetic
light.
This Thesis investigates how engineered photonic nanostructures can harvest, enhance, and control the magnetic field of light at the nanoscale, and how this control translates into the manipulation of the spontaneous emission of Eu³⁺ ions. After establishing the theoretical framework of magnetic light-matter interactions and the numerical methods (finite difference time-domain simulations, radiative local density of states calculations) used throughout this work, and after reviewing the state of the art in magnetic nanophotonics, two complementary antenna platforms are studied. First, silicon nanocylinders supporting low-loss magnetic Mie resonances are designed and optimized to enhance the magnetic radiative local density of states at the position of Eu³⁺-doped ZrO₂ supra-particles, whose synthesis, silica encapsulation, and optical characterization are presented. Second, rectangular nanoslits in an aluminum film, which behave as magnetic dipolar antennas by virtue of Babinet’s principle, are fabricated and coupled to europium-doped thin films, their geometry and polarization dependent response is characterized by nano-spectroscopy and compared quantitatively to simulations.
The results demonstrate that both dielectric and plasmonic (Babinet-inverted) nanoantennas can selectively enhance the magnetic emission channels of Eu³⁺, and establish design rules, related to spectral matching, emitter positioning, and the choice of excitation polarization, in order to engineer magnetic spontaneous emission. These findings open exciting perspectives in nanophotonics by establishing the magnetic field of light as a fully exploitable degree of freedom, with potential applications in spectroscopy, sensing, chiral light-matter interaction, and the development of novel nanoscale light sources.
Jury
- Anne-Laure Baudrion-Beal – Maîtresse de conférences, Laboratoire Lumière Nanomateriaux Nanotechnologies, Université de Technologie de Troyes -Rapporteuse
- Alexandre Tallaire – Directeur de recherche, Institut de Recherche de Chimie Paris, Chimie ParisTech – Rapporteur
- Olivier Pluchery – Professeur, Institut des Nano-Sciences de Paris, Sorbonne Université – Examinateur
- Mathieu Mivelle – Chargé de recherche, Institut des Nano-Sciences de Paris, CNRS, Sorbonne Université – Directeur de thèse
- Sébastien Bidault – Directeur de recherche, Institut Langevin, ESPCI, Université PSL, CNRS – Directeur de thèse
