Expérience classique de la "gomme quantique"

Pour détruire complètement cette information et acquérir une connaissance totale sur les propriétés ondulatoires des plasmons, nous insérons entre l’échantillon A et le capteur CCD, un polariseur linéaire orienté à45◦. Quelque soit l’ordre de diffraction, les photons émis sont tous polarisés à 45◦, et deviennent alors indiscernables. Cela se traduit par un motif d’interférence bien défini aux trois ordres diffraction comme observé sur les Fig. 5.6(c) et (f). Cette restauration des franges d’interférence signifie que toute information relative au chemin suivi par les plasmons a été effacé.

5.4 Conclusion

En exploitant le mécanisme de SHEL réciproque, nous avons réalisé un polariseur circulaire plasmonique. Ce dispositif confirme que l’information relative au trajet des plasmons de surface peut être encodée dans le spin des photons. Les capacités du système sont testées dans une expérience de brouillage d’interférence pour discuter la dualité onde-particule des plasmons. Bien que démontré dans le régime classique, notre dispositif pourrait s’appliquer au régime quantique afin d’approfondir notre compréhension des propriétés quantiques des plasmons. Ce travail ouvre des pers-pectives encourageantes pour la manipulation à l’échelle nanométrique de photon unique à l’aide de dispositifs plasmoniques [85].

Dans ce travail, nous avons exploité le couplage spin-orbite afin de manipuler le mo-ment angulaire de spin de la lumière. Dans le chapitre suivant, nous nous appuierons sur ces interactions pour manipuler les moments angulaires orbitaux et générer des vortex plasmoniques.

Chapitre 6

Lentilles de vortex plasmoniques

Sommaire

6.1 Introduction . . . 103 6.2 Génération de vortex plasmoniques à partir de cavités

spirales . . . 105

6.2.1 Protocole expérimental . . . 105 6.2.2 Analyse théorique . . . 106 6.2.3 Résultats expérimentaux . . . 107

6.3 "Métaspirales" : des lentilles convergentes de vortex plasmoniques . . . 114

6.3.1 Analyse théorique . . . 115 6.3.2 Résultats expérimentaux . . . 116

6.4 Conclusion et perspectives . . . 122

6.1 Introduction

La sensibilité élevée à la polarisation ainsi que le champ important confiné à la surface des nanostructures plasmoniques a entrainé l’émergence des lentilles de vor-tex plasmoniques (Plasmonic Vortex Lens, PVL) dont l’objectif est de manipuler, à l’échelle sub-longueur d’onde, les différents moments angulaires de la lumière [112]. Par l’intermédiaire du couplage spin-orbite, les structures chirales telles que les spi-rales plasmoniques permettent notamment de transférer le SAM (Spin Angular Mo-mentum) d’une onde incidente propagative en une onde de surface de OAM (Orbital Angular Momentum) donné, ouvrant ainsi de nouvelles opportunités notamment dans les communications optiques [95] et la nano-manipulation optique [113]. Par exemple, Tsai et al. ont démontré que selon la polarisation circulaire incidente, une PVL spirale peut soit piéger une particule, soit la mettre en mouvement de rota-tion [114]. La mise en forme en vortex des plasmons de surface a été démontrée par Gorodetski et al. [115] en 2008. Dans ce travail pionnier, une spirale gravée sur un film métallique est éclairée en champ lointain par une lumière polarisée circulaire-ment. Le moment angulaire de spin provenant de l’onde d’excitation est transféré aux plasmons de surface via la PVL. La synthèse des vortex plasmoniques est mise

Figure6.1 – (a) De gauche à droite : Schéma du montage SNOM en mode détection, image MEB de la PVL, distribution en intensité lorsque la PVL est illuminée avec une polarisation circulaire droite (|σ+i= 1) et gauche (|σ₋i=−1). Tirées de [110]. (b) Image SEM d’une PVL associant métasurface et géométrie spirale pour optimiser la focalisation des plasmons. Tirées de [36]. (c) Analyse en polarisation de vortex plasmoniques générés par une PVL achirale. Tirées de [111].

en évidence au moyen d’un SNOM en mode détection. Le montage et les résultats sont présentés sur la Fig 6.1(a). Ils démontrent que la PVL génère des vortex dont l’OAM dépend du spin incident : l’intensité bascule d’un minimum à un maximum central lorsque l’illumination passe de la polarisation circulaire droite à circulaire gauche. Diverses géométries de PVL ont été proposées par la suite, en combinant notamment les spirales avec les propriétés locales des métamatériaux [116, 117]. Par exemple, la "métaspirale", représentée sur la Fig 6.1(b), est inspirée des travaux de Lin et al. [33] sur la directionnalité radiale des plasmons et rapporte une focalisa-tion des plasmons avec un meilleur contraste par rapport aux lentilles plasmoniques conventionnelles, et cela grâce à la sensibilité des structures élémentaires enT avec le SAM d’excitation [36].

Dans la littérature, les vortex plasmoniques sont en grande partie analysés à l’aide d’un SNOM en mode collection. Comme mentionné précédemment, cette méthode de détection rend difficile l’analyse en polarisation du champ plasmon. Pour une meilleure compréhension et manipulation des vortex plasmoniques, on se propose ici de mener une analyse complète en polarisation des modes contenus dans les vortex plasmoniques à l’aide de l’imagerie LRM. Ce travail s’inscrit dans la continuité de notre étude réalisée en collaboration avec Q. Jiang et A. Zhao sur des PVL achirales (Fig. 6.1(c)) [38, 111]. Dans ce chapitre, nous allons analyser deux types de PVL : des cavités spirales formées de sillons continus et des "métaspirales" [36] constituées de nanostructures en forme de Λ et disposées selon une géométrie spirale. Après une description analytique du mécanisme de transfert du SAM indicent en OAM plasmonique, nous examinerons en détail les modes de polarisation et l’adressage sélectif des vortex plasmoniques selon le SAM et la chiralité des PVL spirales simples continues. La règle de sélection OAM mise en évidence lors de cette étude sera ensuite appliquée à la compréhension de PVL plus complexes telles que les métaspirales. Nous montrerons que les structures élémentaires enV ouΛ offre un degré de liberté

supplémentaire dans la manipulation les plasmons de surface, en particulier, dans le contrôle conjoint de l’intensité et de l’état orbital des vortex via la polarisation circulaire incidente.