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Chiral Light–Chiral Matter Interactions: an Optical Force Perspective
No full textInternational audienceOptical forces are involved in many physical processes and are used routinely in the laboratory for manipulating and cooling matter, from the micro down to the quantum scales. It has been realized recently that new forms of optical forces can emerge when a chiral system is immersed within a chiral light field. These new forces involve not only the chirality of the system on which they exert their mechanical action, but the chirality itself of the optical field that generate them. As such, they have fascinating properties, the crucial one being that they are enantioselective. We will highlight recent and important advances in this newborn field of research, where the interactions and exchanges between theory and experiments are particularly strong. The key advances selected in this Perspective are representative of the vitality of the current research activity. These advances clearly point toward future designs for all-optical chiral separation strategies of high potential. They also shape new means for controlling chiral systems, such as atoms and molecules, at the quantum level. The viewpoint adopted in this Perspective overall aims at showing how chiral optical forces shed new light on chiral light−chiral matter interactions
Coûts entropiques pour protocoles Browniens
No full textCette thèse présente une approche expérimentale pour contrôler le paysage énergétique d'une particule Brownienne piégée par ingénierie du bain thermique par pression de radiation modulée stochastiquement. Cette approche permet la mesure des coûts énergétiques et entropiques impliqués dans les protocoles hors-équilibre dépendant du temps. Ces coûts permettent de définir des protocoles isothermes et isochores (changements de température dans un potentiel constant) optimaux et de révéler des propriétés intéressantes, telles qu'une asymétrie entre processus de chauffe et de refroidissement. Pour obtenir une description thermodynamique cohérente, nous proposons une nouvelle méthode pour mesurer l'entropie du système le long d'une trajectoire stochastique, basée sur la relation entre le micro-état instantané de non-équilibre et le macro-état d'équilibre correspondant. Ce travail étudie la mécanique et de la thermodynamique des processus Browniens isothermes et isochores hors équilibre.This thesis presents an experimental approach to control the energetic landscape of a confined Brownian particle through thermal bath engineering using a stochastically modulated radiation pressure force. This approach motivates the quantitative assessment of the energetic and entropic costs involved in time-dependent non-equilibrium protocols. These costs once identified make it possible to design optimal isothermal and isochoric protocols (temperature changes in a constant potential) and to reveal interesting features, such as an asymmetry between heating and cooling processes. To make a consistent thermodynamic description, we propose a new method for measuring the system entropy along a stochastic trajectory based on the relationship between the instantaneous non-equilibrium micro-state and the corresponding equilibrium macro-state. This work provides a comprehensive study of the mechanics and thermodynamics of non-equilibrium isothermal and isochoric Brownian processes
Caractérisation d'assemblages supramoléculaires chiraux par polarimétrie Mueller
No full textCette thèse discute des défis que pose la caractérisation des assemblages supramoléculaires chiraux dus à l'inhomogénéité de l'échantillon, à l'effet de filtrage interne et aux effets d’anisotropie, qui tous induisent des artefacts dans les mesures polarimétriques. Ces défis sont relevés par l’utilisation de la polarimétrie de Mueller qui permet d’extraire les propriétés polarimétriques intrinsèques des structures supramoléculaires chirales, à la fois dans les états fondamentaux et excités. Grâce à cette polarimétrie, cette thèse peut étudier sur des agrégats supramoléculaires chiraux les réponses chiroptiques intrinsèques, la polarisation de fluorescence et la diversité hiérarchique des voies d’agrégations sur de tels systèmes moléculaires complexes. Les résultats présentés dans ce travail seraient autrement difficiles à obtenir en utilisant des méthodes de caractérisation conventionnelles.This thesis discusses the challenges in characterizing chiral supramolecular assemblies arising due to sample inhomogeneity, inner-filtering effect, and high anisotropy, inducing artefacts in polarimetric measurements. These challenges are addressed using Mueller polarimetry to extract the intrinsic polarimetric properties of chiral supramolecular structures in both ground and excited states. Employing this method, this thesis is able to study on chiral supramolecular aggregates’ intrinsic chiroptical responses, fluorescence polarizations, and the hierarchical pathway diversity for aggregation offered by such complex molecular systems. The results presented in this work would have been otherwise hardly accessible using conventional characterization methods
Chiralité et optique plasmonique
No full textL’optique plasmonique met à profit le confinement d’ondes évanescentes au voisinage de la surface d’un métal, pour contrôler et exploiter aux échelles nanométriques et micrométriques les propriétés optiques, comme celles liées à l’émission de matériaux couplés à des structures métalliques choisies.
Nous décrivons ici comment intervient la chiralité en optique plasmonique, dans la structure intrinsèque des ondes plasmoniques et dans le couplage avec l’émission des matériaux, et comment elle entre en jeu pour contrôler la propagation de la lumière dans des nanosystèmes optiques
Comprendre les forces optiques
No full textLa lumière exerce une action mécanique sur tout objet éclairé par échange d’impulsion entre le champ électromagnétique et la matière. De faibles amplitudes, les forces optiques ont pourtant donné lieu à des applications importantes. Les liens qu’elles entretiennent à la fois avec le champ et l’objet continuent d’être interrogés à l’heure actuelle
La force de Casimir entre deux miroirs métalliques à température non nulle
No full textWe study the Casimir force between two metallic mirrors at non-zero temperature. We develop theoretical methods for a high precision evaluation of the force in order to compare with recent measurements. From the theory of optical networks, we characterise the scattering of the electromagnetic vacuum fluctuations on a Fabry-Perot cavity and we calculate the Casimir force as the difference of radiation pressures exerted by these fluctuations inside and outside the cavity. The effect of imperfect reflection of the mirrors is considered by studying the optical response of dielectric mirrors and metallic mirrors. We detail the role of causality, stability and high frequency transparency properties of scattering amplitudes. We calculate also the Casimir force at room temperature evaluating the effect induced by the thermal fluctuations of the field. A simultaneous calculation of thermal corrections and the effect of imperfect reflection shows that both effects are correlated. This correlation has to be considered in a high precision evaluation. In the framework of our formulation, we explain the problem of the evaluation of the force between dissipative mirrors at non-zero temperature, subject of a polemical debate. Finally, we analyse problems of geometry and mirrors surface roughness connected to the experiments. In particular for the problem of surface roughness, we show for perfect mirrors that the proximity force approximation is not always valid. We show the importance of sensibility effects related to the roughness spectrum.Nous étudions la force de Casimir entre deux miroirs métalliques à température non nulle. Nous développons les outils théoriques nécessaires à une évaluation précise de cette force et qui permettent une comparaison de haute précision avec les mesures expérimentales récentes. A partir de la notion de réseau optique, nous caractérisons la diffusion des fluctuations du vide électromagnétique sur une cavité Fabry-Perot et calculons la force de Casimir comme la différence des pressions de radiation exercées par ces fluctuations à l'intérieur et à l'extérieur de la cavité. L'effet de réflexion imparfaite des miroirs est pris en compte en étudiant leur réponse optique, d'abord pour des miroirs diélectriques puis pour des miroirs métalliques. Nous détaillons le rôle des propriétés de causalité, de stabilité et de transparence à haute fréquence des amplitudes de diffusion. Nous calculons également la force de Casimir à température ambiante en évaluant l'effet induit par les fluctuations thermiques du champ. En tenant compte simultanément de cet effet et de l'effet de réflexion imparfaite des miroirs, nous montrons que ces deux effets sont corrélés et que cette corrélation doit être considérée pour une évaluation de haute précision. Dans le cadre de notre formulation, nous résolvons la polémique liée au calcul de la force entre miroirs dissipatifs à température non nulle. Finalement, nous analysons les problèmes de géométrie et de rugosité liés aux expériences. En particulier pour la question de la rugosité de surface des miroirs, nous montrons pour des miroirs parfaits que l'approximation de proximité n'est pas toujours valable. Nous insistons sur les effets de sensibilité liés à la dépendance spectrale de la rugosité
La force de Casimir entre deux miroirs métalliques à température non nulle
No full textPARIS-BIUSJ-Thèses (751052125) / SudocPARIS-BIUSJ-Physique recherche (751052113) / SudocSudocFranceF
Imaging surface plasmons: from leaky waves to far-field radiation
No full textThis contains the original Phys. Rev. Lett. article and the supplementary information fileWe show that, contrary to the common wisdom, surface plasmon poles are not involved in the imaging process in leakage radiation microscopy. Identifying the leakage radiation modes directly from a transverse magnetic potential leads us to reconsider the surface plasmon field and unfold the non-plasmonic contribution to the image formation. While both contributions interfere in the imaging process, our analysis reveals that the reassessed plasmonic field embodies a pole mathematically similar to the usual surface plasmon pole. This removes a long-standing ambiguity associated with plasmonic signals in leakage radiation microscopy
Characterization of optical chirality effects in plasmonic systems
No full textL'objectif de ce projet de thèse est de mettre en évidence des phénomènes de chiralité optique induits dans des systèmes plasmoniques. La manipulation des différents degrés de liberté de la lumière est mise en évidence par le biais de techniques expérimentales complémentaires basées sur la tomographie en polarisation, la microscopie à fuites radiatives et la microscopie en champ proche optique (SNOM). D'une part, nous rapportons une méthode de caractérisation non-invasive afin de révéler la présence conjointe de chiralité planaire et volumique au sein de métasurfaces plasmoniques. Pour décrire cette chiralité mixte, une généralisation du modèle de Kuhn est développée. D'autre part, nous démontrons deux dispositifs plasmoniques exploitant le couplage spin-orbite optique pour contrôler les moments angulaires de spin et orbitaux de la lumière. En particulier, le mécanisme réciproque de l'effet spin Hall optique est démontré à l'aide de nano-ouvertures en forme de T: la trajectoire des plasmons de surface est adressée dans le moment angulaire de spin des photons. Cette fonctionnalité est ensuite mise en œuvre dans une expérience de brouillage d'interférence. La génération de vortex plasmoniques est également réalisée par le biais de cavités spirales, dont la chiralité conditionne l'intensité et le moment angulaire orbital des vortex. Enfin, une preuve de concept sur la mesure de la densité locale d’états optique, façonnée par un environnement chiral, est démontrée à l'aide d'une sonde SNOM classique et quantique. Ce travail permet de connecter les grandeurs de densité et de flux de chiralité aux interactions lumière-matière. L'étude de la chiralité dans le contexte de la plasmonique ouvre des perspectives prometteuses dans la nano-manipulation optique, la séparation de molécules chirales et le contrôle de sources quantiques.In this thesis, we aim at demonstrating chiral optical effects in plasmonic systems. The manipulation of the different degrees of freedom of light is evidenced by complementary experimental approaches based on polarisation tomography, leakage radiation microscopy and scanning near-field optical microscopy (SNOM). On one hand, we report on a non-invasive method to reveal the coexistence of surface and bulk chirality in plasmonic metasurfaces. Specifically, we extend the model of Kuhn to describe this chirality mixture. On the other hand, we demonstrate two plasmonic devices which rely on the optical spin-orbit coupling to control the spin and the orbital angular momentum of light. In particular, the reciprocal mechanism of the spin-Hall effect of light is shown using T-shaped nano-apertures: the trajectory of surface plasmons can be encoded in the spin of the photons. This which-path marker is then implemented in an interference erazer experiment. Plasmonic vortex generation is also reported in spiral cavities. The spiral chirality rules the intensity as well as the angular orbital momentum of the singular fields. Finally, as a proof of concept, we demonstrate using a conventional and quantum SNOM probe that the local density of optical states can be structured by a chiral environment. We also connect the density and flux chirality to light-matter interactions. Studying chirality in the context of plasmonics opens promising prospects in the optical nano-manipulation, chiral molecules discrimination and the control of quantum sources
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