Plasmonic superradiance in metallo-dielectric nanohybrids
Superradiance plasmonique dans des nanohybrides métallo-diélectriques
Résumé
Placer des nanostructures plasmoniques à proximité d’émetteurs quantiques est une approche prometteuse pour concevoir des nanolasers plasmoniques ou réaliser l’intrication de bits quantiques à longue distance. Des études théoriques récentes suggèrent que le champ plasmonique peut induire un couplage efficace entre émetteurs et mener à la formationd’états collectifs superradiants. Dans ce travail de thèse, nous avons développé un modèle théorique afin d’analyser les effets collectifs pour un ensemble de dipoles couplés à un nanorésonateur électromagnétique. Nous avons étudié expérimentalement la superradiance plasmonique d’émetteurs organiques greffés à une distance contrôlée d’une nanosphère metallique,à température ambiante. Nous avons mesuré le taux de relaxation de ces structures hybrides, en ensemble et à l’échelle de l’objet unique. Nous observons que le taux de relaxation augmente i) avec le nombre d’émetteurs et ii) lorsque la distance entre les émetteurs et le coeur métallique diminue, une preuve directe et claire de la superradiance plasmonique.Cette tendance a été observée pour deux types de structure hybride, différentes par la taille du coeur métallique et par le type de molécule utilisée comme émetteur. L’observation de la superradiance plasmonique à température ambiante ouvre des questions sur la robustesse d’un état superradiant contre des mécanismes de décohérence. Cette robustesse présente un intérêt majeur pour des applications potentielles de systèmes quantiques à température ambiante.
Hybridization of quantum emitters and plasmonic nanostructures has attracted much attention over the last years, due to their potential use as plasmon-based nanolasersor to achieve long-range quantum bit entanglement. Recent theoretical studies suggest that the plasmonic field can induce efficient cross-talking between emitters and lead to the formation of collective superradiant states. In this thesis, we developed a theoretical modelable to analyse collective effects in large ensemble of dipoles coupled by an electromagnetic nanoresonator. We experimentally investigated the plasmon-mediated superradiance of organic emitters grafted at a well-controlled distance from a metal nanosphere at room temperature. We report on the measured decay rates of these hybrid structures at the ensemble and single object levels. We find that the decay rate increases i) with the number ofemitters and ii) as the spacing between the emitters and the metal core decreases, a direct and clear evidence of plasmonic superradiance. This trend was observed for two types of hybrid structures, differing both by the size of the metal core and the type of organic dye used as emitter. The observation of plasmonic superradiance at room temperature opens questions about the robustness of these collective states against decoherence mechanisms.This robustness is of major interest for potential applications of quantum systems at room temperature.
Origine : Version validée par le jury (STAR)