Molécule-Plasmon MétaHybrides – PlasHybrid

Des molécules, lorsqu’elles sont en couplage fort avec des plasmons de surface, peuvent être couplées de façon cohérente sur une échelle allant jusqu'à des dizaines de microns, affectant de manière drastique leurs propriétés. PlasHybrid vise à exploiter cette interaction étendue pour générer des processus physiques originaux et des matériaux aux fonctionnalités nouvelles. Le couplage fort entre plasmon et exciton se produit lorsque l'interaction émetteur/plasmon devient prédominante devant les différents amortissements du système. Dans ce régime particulier d’interaction lumière-matière, le mode de plasmon de surface s’hybride avec les excitations moléculaires (excitons de Frenkel pour les J-agrégats) pour former des états polaritoniques. En raison de son extension spatiale, un plasmon fortement délocalisé associé à un ensemble d'émetteurs localisés (molécules) génère une cohérence spatiale qui peut s'étendre sur plusieurs microns. Nous nous proposons d’exploiter l'interaction étendue de trois manières différentes: en structurant périodiquement un matériau optiquement actif dans la longueur de cohérence créant ainsi des métasurfaces, en étudiant un émetteur individuel ou un groupe d'émetteurs couplés à un ensemble de molécules distantes et enfin en couplant deux matériaux organiques différents à travers un plasmon. Les principaux objectifs qui découlent de ces axes de recherche sont les suivants:

• Métamatériaux plasmoniques en couplage fort, anisotropie de polarisation
L'extension spatiale des états hybrides permet un nouveau type d'organisation structurelle. Jusqu'à présent, l’hybridation de différents matériaux en couplage fort a toujours été réalisée en empilant des couches de molécules différentes. Comme l'état cohérent plasmonique s'étend latéralement sur plusieurs microns, il est possible de structurer le matériau dans le plan des films. Ce nouveau degré de liberté est rendu possible par la simplicité des dispositifs plasmoniques : les systèmes moléculaires sont déposés directement sur le film métallique planaire, ce qui permet un accès et une structuration aisés des couches organiques. Les métasurfaces polaritoniques générées par cette méthode seront étudiées et appliquées à l’obtention d'anisotropie d'émission et de structures de bande plasmonique originales.

• Exploitation de la longueur de cohérence étendue à la commutation tout-optique non locale, et à la statistique d’émission d’émetteurs à photon unique
Lorsqu'un émetteur (ou une collection d'émetteurs) est ajouté ou activé dans la longueur de cohérence d'un système en couplage fort, les énergies de transition sont modifiées car elles sont reliées au nombre total d'émetteurs en interaction. Comme la longueur de cohérence est grande, cette modification offre une manière originale d'effectuer la commutation (et la modulation) avec un contrôle spatialement séparé. De plus, les statistiques de photons associées à un émetteur inclus progressivement dans un système fortement couplé, devraient être radicalement modifiées. Cette statistique d'émission a été largement étudiée en régime de couplage faible, mais jamais dans le régime de couplage fort.

• Démonstration du transfert d'énergie sur des distances allant jusqu'à dix microns
Le couplage fort offre un moyen très efficace de coupler différents matériaux car il se traduit par une hybridation des états des différents systèmes moléculaires. Basé sur ce mécanisme et sur la grande extension spatiale des états hybrides plasmon/exciton, une augmentation de trois ordres de grandeur de la distance permettant un transfert d’énergie efficace peut être obtenue.
Le transfert d’énergie sur de longues distances ainsi que le contrôle non-local des propriétés des structures multimatériaux, en plus d’améliorer la compréhension fondamentale du couplage fort, pourra ouvrir des possibilités totalement nouvelles dans des domaines tels que la photovoltaïque organique ou l’électronique moléculaire.