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Une nanostructure métallique pour contrôler les interférences quantiques de deux plasmons

Communiqué du 7 juillet 2017

Des physiciens ont observé les interférences de deux plasmons uniques à l'aide d'une puce métallique nanostructurée. Leur expérience a mis en évidence de nouveaux phénomènes quantiques liés au rôle des pertes par absorption dans le métal.

Les plasmons de surface sont des ondes de densité d'électrons se propageant à l'interface entre un métal et un diélectrique. Elles confinent le champ électromagnétique dans de très petits volumes, ce qui en fait de parfaites candidates pour convoyer des signaux optiques à travers des structures nanométriques, bien plus petites que celles de l'optique conventionnelle. De plus, les modèles théoriques prédisent que le comportement quantique des plasmons de surface uniques est en tout lieu semblable à celui des photons. Les physiciens étudient donc l'opportunité d'utiliser des plasmons que des photons pour transmettre de l'information quantique. Expérimentalement, la plasmonique quantique cherche ainsi à revisiter les expériences fondatrices de l'optique quantique avec des plasmons. L'une d'entre elles a été réalisée par Hong, Ou et Mandel il y a tout juste 30 ans : ils constatèrent que deux photons identiques atteignant une séparatrice 50/50 par deux ports d'entrée distincts ressortaient toutes deux par le même port de sortie, un phénomène appelé coalescence.

A l'aide d'une séparatrice à plasmons nanostructurée (voir illustrations 2 et 3), des chercheurs du Laboratoire Charles Fabry (Institut d’Optique/CNRS) et de l'Institut de Science et d'Ingénierie Supramoléculaires (Université de Strasbourg/CNRS) ont pu observer l'interférence quantique de deux plasmons de surface uniques se propageant librement à l'interface entre l'or et l'air. Ils ont dans un premier temps observé la coalescence de deux plasmons. Mais dans une seconde expérience ils ont mis en évidence l'effet inverse, l'anticoalescence de deux plasmons. Les plasmons ressortent dans ce cas préférentiellement séparément. Cette étude est publiée dans la revue Science. Pour parvenir à ce résultat, les physiciens ont étudié l'influence des pertes dans le métal sur les propriétés de la séparatrice. Lorsque chaque plasmon a précisément 50% de chances d'être absorbée par la séparatrice, il est possible de moduler les interférences quantiques des deux particules en jouant sur les dimensions de la structure. Les chercheurs ont ainsi conçu numériquement puis fabriqué deux structures de dimensions différentes, la première reproduisant les résultats de l'optique quantique, la seconde proposant un comportement inverse. Ce travail montre que les pertes d'un matériau peuvent être utilisées pour contrôler les processus quantiques, et permet de prédire de nouveaux effets. Il souligne la complémentarité des approches de la plasmonique et de l'optique quantique pour l'information quantique.

©Institut d'Optique Graduate School / Source de paire de photons jumeaux pour la génération de plasmons uniques.

1 - Source de paire de photons jumeaux pour la génération de plasmons uniques.

©Institut d'Optique Graduate School / Image obtenue au Microscope électronique à balayage de la puce plasmonique

2 – Image obtenue au Microscope électronique à balayage de la puce plasmonique gravée sur une surface d'or. La dimension latérale de l'échantillon est de l'ordre de 25 microns.

©Institut d'Optique Graduate School / Représentation schématique du principe de l'expérience.

3- Représentation schématique du principe de l'expérience. Deux réseaux éclairés par des faisceaux de lumière génèrent des plasmons uniques se propageant à la surface du métal et interférant sur la séparatrice.

Références :

Anti-coalescence of bosons on a lossy beam splitter

Benjamin Vest, Marie-Christine Dheur, Eloïse Devaux, Alexandre Baron, Emmanuel Rousseau, Jean-Paul Hugonin, Jean-Jacques Greffet, Gaétan Messin et François Marquier, Science, 356 (6345),pp 1373-1376, 30 Juin 2017 https://doi.org/10.1126/science.aam9353

Un lien vers une version électronique de l’article est disponible sur la page du groupe de recherche :

https://www.lcf.institutoptique.fr/Groupes-de-recherche/Nanophotonique-et-Electromagnetisme

Contacts chercheurs :

François Marquier (francois.marquier@institutoptique.fr)

Benjamin Vest (benjamin.vest@institutoptique.fr)

Contacts presse :

Kenza Cherkaoui, directrice de la communication à l’Institut d’Optique Graduate School (kenza.cherkaoui@institutoptique.fr)

Laurence Franchiset, chargée de communication à l’Institut d’Optique Graduate School (laurence.franchiset@institutoptique.fr)

Communiqué (PDF / 518,42 kB)

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