Les prismes mésoscopiques d'or possèdent, dans le visible, des modes SP d'ordre supérieur d'un fondamental situé dans le proche infrarouge. Ils peuvent donc être des candidats appropriés pour réaliser le concept d'antennes plasmoniques intégrées à des dispositifs plasmoniques pour le traitement d'information optique. Dans ce chapitre, nous montrons que les antennes en forme de nœud papillon (dites "bowtie") comprenant deux cavités plasmoniques de taille micrométrique fournissent une réponse optique plus riche que les antennes dipolaires sub-longueur d'onde classiques. Ces antennes en forme de nœud papillon sont sondées par microscopie TPL pour étudier la répartition spatiale des modes d'ordre supérieur portés par les cavités plasmoniques. Les cartes TPL expérimentales sont comparées à des cartes correspondantes simulées avec le formalisme GDM. Une étude numérique détaillée du taux de désexcitation normalisé d'un système moléculaire au voisinage de l'espace entre les cavités en fonction de la longueur d'onde est également réalisée. Ce travail souligne également l'utilité des antennes papillon multimodales pour la réalisation d’une porte d'entrée-sortie pour des volumes optiques nanométriques.
5.2 Réponse TPL des antennes papillon multimodales
La figure 5.1 montre la carte SPLDOS de deux antennes multimodales symétriques de taille 450nm. Une légère modification est visible dans la carte SPLDOS. La proximité des deux structures a légèrement affecté les deux modes de distribution m = 3. Les cartes TPL expérimentales correspondantes suggèrent une interaction entre les deux cavités qui changerait la réponse TPL des deux prismes par rapport à la réponse TPL des cavités isolées. La réponse TPL de la cavité triangulaire individuelle a été discutée par Viarbitskaya et al. qui montre l’apparition séquentielle de points chauds aux sommets de la cavité triangulaire lorsque la polarisation linéaire du champ incident est variée. La superposition des cartes TPL de deux polarisations orthogonales aboutit à trois points chauds à chacun des trois sommets de la cavité correspondant à la symétrie de la cavité triangulaire. Une forte réponse TPL de l'antenne papillon est observée dans le gap central pour une polarisation de 90 ° tandis que deux zones symétriques de TPL intenses sont observées à la périphérie de l'antenne pour une polarisation de 0 °. Il est intéressant de constater ici que le comportement des antennes papillon
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multimodales contraste singulièrement avec celui des antennes sub-longueur d'onde standards, où la forte exaltation centrale est observée pour une polarisation incidente de 0 ° alors qu'une polarisation de 90 ° entraine une extinction du signal TPL. Les cartes TPL de l'antenne papillon multimodale ont été reproduites à l’aide d’un outil de simulation basé sur GDM, qui montre une excellente correspondance entre les résultats expérimentaux. Contrairement aux antennes papillon dipolaires, l'ordre de résonance qui se produit dans chaque bras des antennes multimodales peut être réglé en changeant la taille des cavités (figure 5.2). L'évolution de l'amplitude de la SPLDOS lorsque nous changeons la polarisation incidente suggère qu'un réglage précis de la réponse des antennes peut être obtenu par le choix de la taille du bras et par conséquent de l'ordre du mode SP actif.
En comparaison avec les antennes nœud bowtie dipolaires dont la réponse consiste uniquement en un basculement "on" / "off" de la réponse optique centrale, les antennes multimodales présentent une modulation différenciée du champ exalté dans le gap et à la périphérie de l'antenne, en fonction de la polarisation incidente. L'accord spectral des modes SP est régi par la taille et la forme de la cavité, mais leur accord spatial est défini par le positionnement relatif d'une cavité par rapport à l'autre. Le rapprochement des prismes ne modifie pas les modes SP natifs des cavités, mais modifie de façon spectaculaire la réponse TPL globale du dimère. Il a un impact énorme sur l'exaltation local du champ au centre de l'antenne (figure 5.4). Les antennes papillon multimodales offrent ainsi plus de degrés de liberté pour régler la réponse TPL du système par rapport aux antennes dipolaires. Ces paramètres complémentaires fournissent un moyen de contrôler la réponse plasmonique localisée (dans le gap) et délocalisée (à la périphérie des prismes) de ces antennes. Ceci procure un nouveau régime pour le développement de composants entrée-sortie pour les dispositifs de traitement de l'information plasmonique 2D. La région du gap peut être utilisée pour améliorer l'absorption ou l'émission d'émetteurs uniques tandis que les deux cavités peuvent être utilisées comme structures de propagation initiales ou terminales.
5.3 Renforcement local du champ et nature multi-échelles des antennes
La dynamique et le taux d'émission d'un dipôle placé au centre d'une telle antenne peuvent être quantifiés sous la forme d'un taux de désexcitation total normalisé de l'émetteur. La figure 5.6 montre que ces antennes papillon multimodales présentent une exaltation du taux d'émission normalisé du dipôle dans le proche infrarouge. La figure suggère qu'un comportement contre-intuitif du dipôle au voisinage de la structure. L'augmentation du taux d'émission total et l'amélioration du champ électrique local affiché dans les cartes TPL sont
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directement corrélées. Le même comportement du taux de désexcitation normalisé est observé à la fois pour les deux configurations d’antenne et pour toutes les longueurs d'onde. Nous montrons que la dynamique d'émission est régie par l'environnement local autour du dipôle et par son orientation par rapport aux surfaces métalliques du gap. Cela est démontré dans la figure 5.7 où l'orientation du dipôle est choisie selon un axe préférentiel orienté respectivement parallèlement et perpendiculairement flanc du gap au centre de l’antenne. Le taux de désexcitation total est maintenant augmenté jusqu'à 8 fois pour un dipôle perpendiculaire aux bords du gap tandis que l'orientation du dipôle parallèlement aux bords du gap conduit à une augmentation de 3 fois. Ces résultats sont compatibles avec l'exaltation du champ observée en TPL. L'étude souligne donc l'importance de la géométrie locale du gap entre les deux prismes de l’antenne.
5.4 Conclusions
Pour conclure, nous avons démontré que deux cavités prismatiques plasmoniques et multimodales associées à une configuration symétrique et asymétrique en forme de nœud papillon résultent en un renforcement du champ dépendant de la polarisation et un confinement du champ à l'échelle nanométrique à des emplacements spécifiques. L'ordre du mode SP dans cette nouvelle classe d'antenne papillon dicte la condition d'accord spectral tandis que l'accord spatial est déterminée par le positionnement relatif des cavités l'une par rapport à l'autre. La rotation de la polarisation incidente permet un contrôle efficace de la réponse du gap tandis que les dimensions mésoscopiques des antennes leur confèrent un caractère multimodal qui permette le transfert d'information optiques à travers un canal plasmonique au-delà de la longueur d'onde efficace SP, ce qui n'est pas possible avec les antennes papillon dipolaire standards (ceci sera discuté plus en détail dans le chapitre suivant). Cette nouvelle famille d'antennes plasmoniques offre une excellente possibilité de concevoir des composants entrée- sortie plasmoniques visant à intégrer des architectures plasmoniques coplanaires.
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