Thèse H/F - Conception et réalisation de structures nanophotoniques pour le couplage d’émetteurs indivi

Sujet de thèse :
Les émetteurs de lumière, particulièrement ceux destinés à l’affichage ou a des applications mobiles, font l’objet de travaux intensifs afin d’améliorer leur efficacité et leur compacité, donc leur luminosité.
Parmi les approches étudiées, une voie consiste à susciter des effets collectifs entre sources lumineuses localisées, de telle sorte que le taux d’émission spontanée d’une collection d’émetteurs soit plus élevé que celui des émetteurs individuels (théoriquement jusqu’à N fois, où N est le nombre d’émetteurs [1]). Ainsi, dans le cas d’émetteurs astucieusement couplés, l’intensité émise peut être fortement augmentée, d’un facteur N² dans le cas idéal.
Ce phénomène, appelé super-radiance, a été observé ces dernières années dans divers milieux, gazeux puis solides, tels que boites quantiques semi-conductrices (inorganiques [2] ou en pérovskites halogénées [3]) et des matrices dopées de terres-rares [4]. Il est par ailleurs fondamentalement quantique et nécessite dans ces milieux homogènes, en plus de la préservation de la cohérence des émetteurs, de faibles distances entre émetteurs.
Des approches nanophotoniques permettent de dépasser cette limitation. C’est particulièrement le cas des métasurfaces optiques (milieux d’épaisseur de l’ordre de la longueur d’onde de la lumière, en général nanostructurés), qui peuvent assister les effets collectifs entre émetteurs, car elles permettent de contrôler la distribution spatiale de la phase et la polarisation de la lumière. Plus particulièrement, le régime « Zero Index Metamaterial » (ZIM) situé à des points de Dirac dans l’espace E(k) doit permettre de coupler des émetteurs en phase sur une large surface [5].
Ce travail de thèse bénéficiera de la collaboration avec l’IRL CNRS-NTU-Thalès CINTRA dans le cadre du projet ANR SUPER HERO.

Objectifs de la thèse :

Il s’agira ainsi de concevoir, fabriquer et caractériser des métasurfaces couplées à des émetteurs de lumière, favorisant des effets collectifs entre émetteurs tels que la superradiance.
La conception s’appuiera sur des outils de simulation électromagnétiques existant à l’INL (RCWA et FDTD) et visera à générer des modes optiques dans les domaines visible et/ou-proche IR, propres à contrôler le taux d’émission spontanée des dipôles émetteurs (effet Purcell), mais aussi de synchroniser ces dipôles grâce aux modes de type ZIM. Le/la doctorant.e contribuera ensuite à la réalisation de structures d’étude sur la plateforme Nanolyon de l’INL, notamment via le dépôt de couches minces par dépôt en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), puis leur structuration par nanolithographie par faisceau d’électrons, et le cas échéant par nanoimpression, puis par gravure plasma. Les modes optiques de ces structures d’étude seront ensuite caractérisés optiquement en utilisant les outils de spectroscopies disponibles à l’INL. Les milieux actifs émetteurs de lumière seront intégrés sur ces métasurfa
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