Coherence in metal/organic systems in the strong coupling regime : extended states and metasurfaces

Cohérence dans les systèmes métal/organique en couplage fort : états étendus et métasurfaces

Kevin Chevrier (1)

1 ILM - Institut Lumière Matière [Villeurbanne]

This experimental thesis focuses on the manipulation and control of hybrid plasmon/exciton states. These states, called polaritons, build on the strong light/matter interaction. The strong coupling regime induces collective effects and coherence, by coupling emitters spatially separated and otherwise independents. The work conducted in this thesis aims to control and handle the spatial extension of the coherent states in order to create novel materials. Two approaches are exploited to impact the light/matter interaction. The first method is based on the improvement of the optical mode: we demonstrated the strong interaction between organic semiconductor (J-aggregate) excitons and long-range surface plasmons. This plasmonic mode allows to enhanced the extension of the coherent domain up to 50 µm. The second method acts on the active material. We evidenced a new type of metasurface based on a structuration of the excitonic layer at the micrometer scale: smaller than the coherent length but significantly larger than the wavelength. The typical metasurface effects, such as effective behavior and geometry sensitivity are highlighted. We use this feature to tailor the band structure and generate an important anisotropic effect associated with the geometry of the structuration, leading to controlled emission polarization

Cette thèse expérimentale prend place dans le domaine du couplage fort entre un mode électromagnétique et des matériaux actifs organiques. Dans ce régime, l’interaction lumière/matière est si importante que les états initiaux s’hybrident et donnent naissance à des états mixtes plasmon/exciton : les polaritons. Au-delà de modifier les énergies du système, le couplage fort induit des effets collectifs tel que la cohérence, couplant ainsi des émetteurs séparés spatialement et initialement indépendants. Les travaux de cette thèse ont pour but de contrôler et de manipuler l’extension spatiale de cet état cohérent pour réaliser des matériaux d’un nouveau type. La manipulation du couplage fort lumière/matière est abordée de deux manières dans cette thèse. La première est basée sur la modification du mode optique : nous avons fait la démonstration du régime de couplage fort entre l’exciton d’un émetteur organique de type J-agrégat et un plasmon à longue extension. Ce mode plasmonique particulier permet d’étendre l’extension du domaine de cohérence jusqu’à 50 µm. La seconde méthode consiste en une action sur la composante matière, c’est-à-dire le matériau actif. Nous avons ainsi mis en évidence un nouveau type de métasurface en structurant la couche excitonique à l’échelle du micromètre, inférieure à la longueur de cohérence mais supérieure d’un ordre de grandeur à la longueur d’onde. Des effets typiques de métasurfaces sont observés, tels qu’une réponse moyennée des constituants de la surface et une forte anisotropie générées par une structuration de la couche active dans la longueur de cohérence

Mots clés: Strong coupling; Surface Plasmon Polariton; Organic semiconductors; Metasurfaces; Long Range Surface Plasmon Polariton; Photochromic material; Coherence; Leakage radiation microscopy

Mots clés: Couplage fort; Plasmon de surface; Semiconducteurs organiques; Métasurfaces; Plasmon Long Range; Matériau photochromique; Cohérence; Microscopie par modes de fuite

Domaines: Physique [physics]

Kevin Chevrier. Cohérence dans les systèmes métal/organique en couplage fort : états étendus et métasurfaces. Physique [physics]. Université de Lyon, 2019. Français. ⟨NNT : 2019LYSE1235⟩. ⟨tel-02482524v2⟩