CE30 - Physique de la matière condensée et de la matière diluée

Electrons libres quantiques pour la nanooptique – QUENOT

Résumé de soumission

L'ambition de QUENOT est de dépasser plusieurs limites conceptuelles et expérimentales actuelles en nanooptique en utilisant les propriétés quantiques d'électrons rapides. En effet, certains concepts et grandeurs clés en nanooptique (la super-chiralité, la cohérence spatiale d’excitations dans les nanostructures optiques et l'optique quantique d'excitations photoniques) ont été très peu étudiés à leur échelle pertinente : l'échelle sous-longueur d'onde.
La super-chiralité, c’est-à-dire l’accroissement des propriétés chirales de la lumière au-delà de celles atteintes grâce à une lumière purement polarisée circulairement, peut être observée théoriquement au voisinage de nanostructures chirales. La cartographie à l’échelle nanométrique de la super-chiralité, qui n’a encore jamais été réalisée, permettrait le développement de nouveaux capteurs biologiques avec une sélectivité énantiomérique très augmentée, avec des implications évidentes dans l’industrie pharmaceutique. La cohérence spatiale d’excitations confinées comme des plasmons de surface peut être quantifiée au travers d’une quantité appelée densité électromagnétique croisée (CDOS). Cette dernière n’a à l’heure actuelle pu être mesurée que dans une faible gamme spectrale. Sa mesure à l’échelle nanométrique et sur une large gamme spectrale permettrait de remonter aux longueurs de cohérence spatiales d’excitations comme les plasmons dans les films aléatoires, dont la nature reste à ce jour controversée dans la communauté. Enfin, si l’étude d’émetteurs de photons uniques couplés à des cavités a déjà été effectuée, l’étude des propriétés quantiques (création et manipulation d’états de Fock) de cavités nanostructurées (comme des cavités dans des matériaux à gap photonique) n’a jamais été considérée théoriquement ou expérimentalement et représenterait une avancée majeure dans le domaine de la nanooptique quantique.
L'utilisation d'électrons rapides (environ la moitié de la vitesse de la lumière) tels que fournis par les microscopes électroniques en transmission (MET) a rencontré un succès impressionnant au cours des 15 dernières années pour l'étude de la nanooptique à des échelles très largement inférieures aux longueurs d'onde visible et infra-rouge. Les membres du consortium ont joué un rôle déterminant dans ce succès. Cependant, l'accès aux propriétés physiques évoquées plus haut est largement considérée comme inatteignable par les techniques MET. L'idée fondatrice de QUENOT est que les propriétés quantiques des électrons rapides, longtemps ignorées d’un point de vue théorique et expérimentalement difficiles à manipuler, permettent de remonter, à des échelles nanométriques, à la mesure de la super-chiralité, de la CDOS ainsi qu'à la préparation et la mesure d'états de Fock dans des nanostructures photoniques.
Nous comptons lever ces verrous conceptuels et techniques grâce à un consortium alliant des expertises théoriques et expérimentales en nano-optique, en nanofabrication avancée et en instrumentation en optique électronique. Bien que le défi soit important, un certain nombre d’avancées très récentes dans le domaine, ainsi que des études théoriques et expérimentales préliminaires nous confortent dans l’idée qu’il peut être relevé maintenant et spécifiquement par notre consortium.
QUENOT devrait permettre de maintenir la France à l’avant-garde de la recherche en nanooptique avec des électrons rapides; de plus, la longue culture d’accueil de certains membres du consortium permettra de rendre directement accessibles ces avancées à la communauté. QUENOT devrait impacter les champs de la nanooptique mentionnés. Au-delà, l’ensemble des méthodes et concepts développés dans ce cadre pourront être directement utilisés dans le cadre plus général de la matière condensée, avec par exemple la mesure du dichroïsme magnétique à l’échelle atomique ou la mesure de longueur de cohérence de phonons.

Coordination du projet

Mathieu KOCIAK (Laboratoire de Physique des Solides)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CEMES CENTRE D'ELABORATION DE MATERIAUX ET D'ETUDES STRUCTURALES
UPSACLAY - C2N Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies
L2n Lumière, nanomatériaux, nanotechnologies - CNRS ERL7004
LPS Laboratoire de Physique des Solides

Aide de l'ANR 659 984 euros
Début et durée du projet scientifique : août 2021 - 48 Mois

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