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Manipulating the inverse Faraday effect using inversely designed plasmonic nanostructures
No full textL'effet Faraday inverse est un processus magnéto-optique permettant la magnétisation de la matière par une excitation optique porteuse d'un spin non nul de la lumière. Cette interaction lumière-matière dans les métaux à l'échelle nanométrique résulte de la création de courants de dérive via les forces non linéaires que la lumière applique aux électrons de conduction. En particulier, ce phénomène a été considéré jusqu'à présent comme symétrique; les polarisations circulaires droite ou gauche génèrent des champs magnétiques orientés dans la direction de propagation de la lumière ou dans la direction opposée à la propagation. Nous démontrons ici qu'en manipulant localement la densité de spin de la lumière dans des nano-antennes plasmoniques inversement conçues, l'effet Faraday inverse peut être chiral et générer de forts champs magnétiques stationnaires dus aux courants de dérive uniquement pour une hélicité de la lumière entrante; nous démontrons aussi que ce processus magnéto-optique peut avoir sa symétrie inversée, ce qui était considéré comme impossible; et qu'il peut même générer des photocourants de dérive unidirectionnels en tant que nano-source accordable pour un rayonnement THz linéaire. Ce nouveau concept optique de manipulation de l'effet Faraday inverse par des nano-antennes plasmoniques trouve diverses applications dans le contrôle ultrarapide des domaines magnétiques, non seulement dans les technologies de stockage de données ultrarapides, mais aussi dans des domaines de recherche tels que la spectroscopie THz à l'échelle nanométrique, le piégeage magnétique, les skyrmions magnétiques, le dichroïsme circulaire magnétique, la manipulation de matériaux magnétiques, le contrôle du spin, la précession du spin, les courants de spin et les ondes de spin, entre autres.The inverse Faraday effect is a magneto-optical process allowing for the magnetization of matter through optical excitation carrying a non-zero spin of light. This light-matter interaction in metals at the nanoscale arises from the generation of drift currents via the nonlinear forces applied by light to the conduction electrons. Particularly, this phenomenon has been conventionally considered symmetrical; right or left circular polarizations generate magnetic fields oriented either in the direction of light propagation or in the direction opposite to propagation. We demonstrate here that by locally manipulating the spin density of light in inversely designed plasmonic nano-antennas, the inverse Faraday effect can be chiral and generate strong stationary magnetic fields due to drift currents only for one helicity of incoming light; furthermore, we demonstrate that this magneto-optical process can have its symmetry reversed, which was considered impossible; and it can even generate unidirectional drift photocurrents as a tunable nano-source for linear THz radiation. This novel optical concept of manipulating the inverse Faraday effect by plasmonic nano-antennas finds diverse applications in ultrafast control of magnetic domains, not only in ultrafast data storage technologies but also in research areas such as nanoscale THz spectroscopy, magnetic trapping, magnetic skyrmions, magnetic circular dichroism, magnetic material manipulation, spin control, spin precession, spin currents, and spin waves, among others
Manipulation de l'effet Faraday inverse à l'échelle nanométrique
No full textLe magnétisme induit par la lumière décrit l'effet par lequel un matériau est magnétisé par une impulsion optique. Dans les matériaux transparents, la magnétisation induite optiquement peut être réalisée directement par la lumière polarisée circulairement. Parfois, dans les matériaux métalliques, ce type de magnétisation existe également en raison du trajet solénoïdal microscopique des électrons entraînés par la lumière polarisée circulairement. Dans certains cas, la lumière crée des courants de dérive continus circulants macroscopiques, qui induisent également une magnétisation continue dans le métal. De manière générale, ces magnétismes induits par la lumière sont connus sous le nom d'effet Faraday inverse. Dans le projet de doctorat, j'ai étudié les courants de dérive induits par la lumière dans plusieurs nanoantennes en or. Nous avons réalisé des champs magnétiques stationnaires amplifiés plasmoniquement grâce à ces courants de dérive. L'étude est basée sur la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD) et les théories correspondantes du magnétisme induit par la lumière. Dans différents sujets de recherche, nous avons réalisé : 1) un champ magnétique stationnaire ultra-rapide, confiné et fort dans une nanoantenne en forme d'œil de taureau. 2) Un champ magnétique stationnaire à travers une polarisation linéaire dans un nanorod. 3) Un skyrmion de type Neel construit par un champ magnétique stationnaire dans un nanoring. Dans ces études, nous avons examiné les propriétés optiques de différentes nanoantennes et expliqué l'origine physique des courants de dérive induits par la lumière et des champs magnétiques stationnaires. Nous avons démontré la méthode pour obtenir des effets Faraday inverses amplifiés plasmoniquement et exploré la possibilité de réaliser une magnétisation par la lumière incidente polarisée linéairement. Enfin, nous avons étendu l'effet Faraday inverse à d'autres domaines de recherche physique, tels que la construction de skyrmions par des champs magnétiques stationnaires à travers l'effet Faraday inverse. L'effet magnétique de la lumière reste un domaine de recherche riche. Mes études pourraient trouver des applications dans de nombreux domaines, y compris les matériaux et dispositifs magnéto-optiques, le stockage de données optiques, les applications biomédicales, la spintronique, l'informatique quantique, la recherche fondamentale en électromagnétisme et la recherche sur les matériaux avancés.Light-induced magnetism describes the effect where a material is magnetized by an optical pulse. In transparent materials, optically-induced magnetization can be realized directly by circularly polarized light. Sometimes, in metallic materials, this type of magnetization also exists due to the microscopic solenoidal path of electrons driven by circularly polarized light. In some cases, the light creates macroscopic circulating DC drift currents, which also induce DC magnetization in metal. In a broad sense, these light-induced magnetisms are known as the inverse Faraday effect.In the PhD project, I studied light-induced drift currents in multiple gold nanoantennas. We realized plasmonically enhanced stationary magnetic fields through these drift currents. The study is based on the Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method and the corresponding light-induced magnetism theories. In different research topics, we have realized: 1) an ultrafast, confined, and strong stationary magnetic field in a bull-eye nanoantenna. 2) A stationary magnetic field through linear polarization in a nanorod. 3) A Neel-type skyrmion constructed by a stationary magnetic field in a nanoring. In these studies, we examined the optical properties of different nanoantennas and explained the physical origin of light-induced drift currents and stationary magnetic fields. We demonstrated the method to achieve plasmonically enhanced inverse Faraday effects and explored the possibility of realizing magnetization through linearly polarized incident light. Finally, we extended the inverse Faraday effect to more physical research areas, such as constructing skyrmions by stationary magnetic fields through the inverse Faraday effect.The magnetic effect of light remains a rich area of research. My studies might find applications in many areas, including magneto-optical materials and devices, optical data storage, biomedical applications, spintronics, quantum computing, fundamental research in electromagnetism, and advanced materials research
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Photonic antennas to boost the light and chiral matter interactions
No full textLa détection de molécules chirales à l'aide de résonateurs plasmoniques est un domaine de recherche prometteur pour améliorer la sensibilité et la flexibilité de la détection. Cette approche vise à surmonter les limitations des méthodes conventionnelles, telles que la méthode chiroptique, qui présente des limitations en termes de sensibilité. Les résonateurs plasmoniques sont capables d'interagir de manière résonante avec la lumière, ce qui permet d'augmenter le couplage entre les molécules chirales et la lumière, tout en offrant un contrôle sur les propriétés de polarisation de la lumière. Les avancées récentes dans ce domaine ont porté sur la création de surfaces nanostructurées chirales avec des résonateurs spécifiques, mais le mécanisme sous-jacent à la réponse différentielle des biomolécules à la lumière polarisée circulairement reste mal compris. Dans le cadre de ce projet de doctorat, l'approche novatrice consiste à utiliser des nanostructures achirales anisotropes, telles que des nanoslits, pour interagir avec des molécules chirales. Ces nanostructures achirales offrent l'avantage de pouvoir inverser le signe du dichroïsme circulaire en contrôlant la polarisation incidente ou le sens de propagation de la lumière. En manipulant les symétries du champ électromagnétique à proximité des résonateurs, il devient possible d'étudier plus en détail le couplage électromagnétique entre les biomolécules chirales et les nanorésonateurs. Le projet vise à développer des nanorésonateurs plasmoniques innovants, basés sur des nanoslits, qui seront fonctionnalisés pour détecter des biomolécules chirales. Contrairement aux résonateurs chiraux, les résonateurs achiraux peuvent générer des signes de champs chiraux, offrant ainsi une grande flexibilité dans la détection. Le travail comprend la caractérisation et la compréhension de l'origine des champs chiraux, ainsi que des méthodes pour les rendre homogènes. Une partie de la recherche se concentre sur la conception d'une source de lumière superchirale pure à l'aide de nanoslits, qui peut être accordée en longueur d'onde et en polarisation. Dans cette perspective, des méthodes expérimentales sont présentées, notamment l'utilisation de la fluorescence détectée par dichroïsme circulaire (FDCD) pour les molécules sensibles aux énantiomères. Pour la réalisation de ces expériences, des résonateurs plasmoniques avec une résonance à 680 nm ont été choisis, correspondant à la bande d'absorption chirale de LHCII. Une idée intéressante consiste à bloquer le faisceau d'excitation pour ne recueillir que l'émission des molécules chirales, en étudiant les résonances des ouvertures dans une couche d'or opaque. En résumé, ce projet de doctorat vise à exploiter les avantages des nanostructures plasmoniques achirales pour améliorer la détection des molécules chirales en offrant une plus grande flexibilité dans la manipulation de la polarisation de la lumière et en explorant de nouvelles méthodes expérimentales pour cette détection.The detection of molecules based on fluorescence or Raman scattering has been widely studied and is currently used in industry and laboratories. However, many organic molecules of interest are chiral, and their chemical and biological properties depend on their enantiomer as well as on the chirality of their secondary structure. The quantity and chirality of biomolecules are classically determined by measuring the differential absorption between the two opposite circular polarizations (chiroptic method). However, this method is limited by the low differential absorption of chiral molecules, which is of the order of 10-3 in the UV part of the spectrum. Plasmonic resonators have the ability to resonantly interact with light and are characterized by a moderate quality factor and a low effective volume. This resonant interaction allows (i) to increase the coupling between molecules and light and (ii) to control the polarization properties of light. So far, the latest advances concern the implementation of nanostructured chiral surfaces with gammadion-type resonators or stacked twisted resonators that interact preferentially with a given helicity of light. However, the mechanism behind the differential response of biomolecules coupled to chiral resonators to circularly polarized light is still unclear, preventing the optimization of such detection. Moreover, in the research published so far, two different chiral sensors are needed to interact with right- and left-handed circularly polarized light, which requires complex calibration procedures. During the course of my PhD, I have studied the use of anisotropic achiral nanostructures to interact with chiral molecules. Indeed, they have the significant advantage over chiral nanostructures of changing the sign of the circular dichroism by controlling the incident polarization or the direction of propagation. Indeed, the symmetries of the electromagnetic field in close proximity to the resonators can be manipulated at will by changing illumination conditions hence providing a unique tool for studying the origin of the electromagnetic coupling between chiral biomolecule and nanoresonators. Consequently, in my PhD project I propose to use plasmonic nanoresonators to increase the light - “chiral matter” interactions in order to detect and study chiral molecules. I will use the concept of achiral plasmonic nanostructures (nanoslits) to develop innovative nanoresonators that will be used, once functionalized, to detect chiral biomolecules with enantiomer sensitivity. Indeed, achiral resonators can generate both signs of chiral fields as opposed to chiral resonators which would make their use very flexible. This work implies characterizing, describing and understanding the origins of chiral fields and how to make them homogeneous. Through the study of nanoslits, I demonstrate numerically and theoretically how to design a nanosource of pure superchiral light, free of any background and for which the sign of the chirality is tunable on-demand in wavelength and polarization. In the perspective, I will present experimental methods that could monitor the CD via fluorescence emission (FDCD for Fluorescence Detected Circular Dichroism) in the case of light harvesting molecules for molecules that need to be excited in the UV, autofluorescence may be used in conjunction with aluminum resonators. Without loss of generality, these considerations lead to the decision of investigating plasmonic resonators with resonance at 680 nm which correspond to the chiral absorption band of LHCII. The idea of blocking the excitation beam to collect only the emission of the chiral molecules leaded to the idea of investigating the resonances of openings in an opaque layer of gold
Variations on the Author
Full text link“Variations on the Author” discusses two of Eduardo Coutinho’s recent films (Um Dia na Vida, from 2010, and Últimas Conversas, posthumously released in 2015) and their contribution to the general question of documentary authorship. The director’s filmography is characterized by a consistent yet self-effacing form of authorial self-inscription: Coutinho often features as an interviewer that rather than express opinions propels discourses; an interviewer that is good at listening. This mode of self-inscription characterizes him as an author who is not expressive but who is nonetheless markedly present on the screen. In Um Dia na Vida, however, Coutinho is completely absent form the image, while Últimas Conversas, on the contrary, includes a confessional prologue that moves the director from the margins to the center of his films. This article examines the ways in which these works stand out in the filmography of a director who offers new insights into the notion of cinematic authorship
Etude et développement de nano-antennes fibrées pour la microscopie en champ proche optique et la nano-photonique
No full textIn the first part of this manuscript, we use in our advantage the concept of optical nano-antennas, toget new solutions on the interpretation problems of scanning near-field optical microscope (SNOM)images. Indeed, it is known that some of the developed nano-antennas can express dipolarbehaviours. In this manuscript, we show how a bowtie nano-aperture (dipolar nano-antenna)embedded at the apex of a SNOM probe, can be used to detect and collect only one component ofthe electric near-field. This result is demonstrated as well theoretically, by the use of FDTD (FiniteDifference Time Domain) codes, as experimentally, by the characterisation with this tip, of dielectricsamples (diffraction grating and photonic crystals) and metallic ones (random plasmonic medium).In a second part, we show how the tip previously described, can be used as a detector of the signalfrom single emitter (SE). We study in this part the coupling and interactions between those twoobjects. After a full description of a two level system characteristics, we show theoretically the effectof our probe on the reduction of the excited state life time and the enhancement of thefluorescence of the SE, in both regime, saturated and non-saturated. Then we describeexperimentally how our special tip reduces the excited state life time of quantum dots placed at theapex of it, respect to more conventional SNOM probes as the dielectric and the circular apertureones.Dans la première partie de cette thèse, nous tirons parti du concept de nano-antenne optique afind'apporter une solution innovante au problème d'interprétation de la microscopie champ procheoptique (SNOM). En effet, il est connu que certaines nano-antennes développent des réponsesoptiques dipolaires. Dans cette thèse nous démontrons comment l’utilisation d’une nano-ouverturepapillon (nano-antenne dipolaire), à l’extrémité d’une pointe SNOM, permet de détecter et collecteruniquement une seule composante du champ proche électrique. Ce résultat est démontré d’unpoint de vue théorique par l’utilisation de simulation FDTD (Finite Difference Time Domain) et d’unpoint de vue expérimental par la caractérisation, par cette pointe innovante, d´échantillonsdiélectriques (réseaux, cristaux photoniques) et métalliques (milieux désordonnés plasmoniques).Dans une deuxième partie, nous démontrons comment la sonde développée dans la premièrepartie, peut être utilisée comme détecteur du signal émis par un nano-émetteurs (NE) unique. Il estétudié dans cette partie l’effet de couplage entre ces deux objets. Dans un premier temps, après ladescription complète des grandeurs caractéristiques d’un NE, nous démontrons théoriquementl’effet de la pointe sur la réduction du temps de vie de l’état excité et l’augmentation de lafluorescence d’un NE, en régime saturé et non saturé. Puis dans un deuxième temps nousdémontrons expérimentalement comment cette sonde réduit le temps de vie de l’état excité deboites quantiques placées à son extrémité, en comparaison de pointes SNOM plus conventionnellestelle que la pointe diélectrique et la pointe à ouverture circulaire
Manipulating Electric and Magnetic Light-matter interactions at the nanoscale
No full textThe interactions between light and matter are present absolutely everywhere around us, and since Maxwell's work, we understand them in a much clearer way. However, we are always discovering new facets of these interactions. In particular, since the revolution in nanofabrication techniques and ever-increasing computing capabilities, we are now able to design and fabricate objects of nanometric dimensions with totally new optical properties that are not possible with macroscopic materials. This revolution has led to new scientific and technological applications, the firsts of which have been developed in our laboratories only a few years ago. For example, we can cite applications in the medical field, to kill cancer cells, in photovoltaics, to create more efficient solar panels, in cosmetics, for specific properties of sun creams, in our screens, to obtain higher quality images and colors, or in space to create ultra-reflective solar sails, etc. Of course, we are still far from controlling humans with nanorobots using the 5G network, but the advances are still significant.Nanophotonics is remarkable in that it is now used in many fields of research. Something that was probably not foreseen at the beginning of near-field optics, the precursor field of nanophotonics. We can mention quantum information, certain parts of chemistry and biology, certain computer components, etc.In this manuscript, I will describe, through a few chapters, the most significant researches that have shaped my research career until today. In particular, I will detail a few selected studies that illustrate my main work themes, notably my work on the manipulation and increase of electric and magnetic optical fields and their coupling to matter.In the first part, I will describe how nanostructuring matter at nanometric scales can manipulate the electric and magnetic fields of light. In particular, by choosing suitable materials and shapes, I will explain how increasing these fields by several orders of magnitude is achievable. In the second part, I will describe examples of manipulating electric quantum emitters' emission via optical nano-antennas designed to control and concentrate the optical electric field. Finally, in the last part, I will explain how photonic nano-antennas engineered to exalt the optical magnetic field also allows manipulating quantum emitters' emission, this time, magnetic ones.Les interactions entre la lumière et la matière sont présentes absolument partout autour de nous, et depuis les travaux de Maxwell, nous les comprenons de manière beaucoup plus claire. Cependant, nous découvrons toujours de nouvelles facettes de ces interactions. En particulier, depuis la révolution des techniques de nanofabrication et l'augmentation constante des capacités de calcul, nous sommes désormais en mesure de concevoir et de fabriquer des objets de dimensions nanométriques présentant des propriétés optiques totalement nouvelles, impossibles à obtenir avec des matériaux macroscopiques. Cette révolution a conduit à de nouvelles applications scientifiques et technologiques, dont les premières ont été développées dans nos laboratoires il y a seulement quelques années. Par exemple, nous pouvons citer des applications dans le domaine médical, pour tuer les cellules cancéreuses, dans le domaine photovoltaïque, pour créer des panneaux solaires plus efficaces, dans le domaine cosmétique, pour des propriétés spécifiques des crèmes solaires, dans nos écrans, pour obtenir des images et des couleurs de meilleure qualité, ou encore dans le domaine spatial pour créer des voiles solaires ultra-réfléchissantes, etc. Bien sûr, nous sommes encore loin de contrôler les humains avec des nanorobots en utilisant le réseau 5G, mais les avancées sont tout de même significatives.La nanophotonique est remarquable dans la mesure où elle est désormais utilisée dans de nombreux domaines de recherche. Quelque chose qui n'était probablement pas prévu au début de l'optique en champ proche, le domaine précurseur de la nanophotonique. On peut citer l'information quantique, certaines parties de la chimie et de la biologie, certains composants informatiques, etc.Dans ce manuscrit, je vais décrire, à travers quelques chapitres, les recherches les plus significatives qui ont façonné ma carrière de chercheur jusqu'à aujourd'hui. En particulier, je détaillerai quelques études choisies qui illustrent mes principaux thèmes de travail, notamment mes travaux sur la manipulation et l'augmentation des champs optiques électriques et magnétiques et leur couplage à la matière.Dans la première partie, je décrirai comment la nanostructuration de la matière à des échelles nanométriques permet de manipuler les champs électriques et magnétiques de la lumière. En particulier, en choisissant des matériaux et des formes adaptés, j'expliquerai comment il est possible d'augmenter ces champs de plusieurs ordres de grandeur. Dans la deuxième partie, je décrirai des exemples de manipulation de l'émission d'émetteurs quantiques électriques via des nano-antennes optiques conçues pour contrôler et concentrer le champ électrique optique. Enfin, dans la dernière partie, j'expliquerai comment les nano-antennes photoniques conçues pour exalter le champ magnétique optique permettent également de manipuler l'émission d'émetteurs quantiques, magnétiques cette fois
Appropriate Similarity Measures for Author Cocitation Analysis
Full text linkWe provide a number of new insights into the methodological discussion about author cocitation analysis. We first argue that the use of the Pearson correlation for measuring the similarity between authors’ cocitation profiles is not very satisfactory. We then discuss what kind of similarity measures may be used as an alternative to the Pearson correlation. We consider three similarity measures in particular. One is the well-known cosine. The other two similarity measures have not been used before in the bibliometric literature. Finally, we show by means of an example that our findings have a high practical relevance.information science;Pearson correlation;cosine;similarity measure;author cocitation analysis
Study and development of fiber nano-antennas for scanning near-field optical microscopy and nano-photonics
No full textDans la première partie de cette thèse, nous tirons parti du concept de nano-antenne optique afind'apporter une solution innovante au problème d'interprétation de la microscopie champ procheoptique (SNOM). En effet, il est connu que certaines nano-antennes développent des réponsesoptiques dipolaires. Dans cette thèse nous démontrons comment l’utilisation d’une nano-ouverturepapillon (nano-antenne dipolaire), à l’extrémité d’une pointe SNOM, permet de détecter et collecteruniquement une seule composante du champ proche électrique. Ce résultat est démontré d’unpoint de vue théorique par l’utilisation de simulation FDTD (Finite Difference Time Domain) et d’unpoint de vue expérimental par la caractérisation, par cette pointe innovante, d´échantillonsdiélectriques (réseaux, cristaux photoniques) et métalliques (milieux désordonnés plasmoniques).Dans une deuxième partie, nous démontrons comment la sonde développée dans la premièrepartie, peut être utilisée comme détecteur du signal émis par un nano-émetteurs (NE) unique. Il estétudié dans cette partie l’effet de couplage entre ces deux objets. Dans un premier temps, après ladescription complète des grandeurs caractéristiques d’un NE, nous démontrons théoriquementl’effet de la pointe sur la réduction du temps de vie de l’état excité et l’augmentation de lafluorescence d’un NE, en régime saturé et non saturé. Puis dans un deuxième temps nousdémontrons expérimentalement comment cette sonde réduit le temps de vie de l’état excité deboites quantiques placées à son extrémité, en comparaison de pointes SNOM plus conventionnellestelle que la pointe diélectrique et la pointe à ouverture circulaire.In the first part of this manuscript, we use in our advantage the concept of optical nano-antennas, toget new solutions on the interpretation problems of scanning near-field optical microscope (SNOM)images. Indeed, it is known that some of the developed nano-antennas can express dipolarbehaviours. In this manuscript, we show how a bowtie nano-aperture (dipolar nano-antenna)embedded at the apex of a SNOM probe, can be used to detect and collect only one component ofthe electric near-field. This result is demonstrated as well theoretically, by the use of FDTD (FiniteDifference Time Domain) codes, as experimentally, by the characterisation with this tip, of dielectricsamples (diffraction grating and photonic crystals) and metallic ones (random plasmonic medium).In a second part, we show how the tip previously described, can be used as a detector of the signalfrom single emitter (SE). We study in this part the coupling and interactions between those twoobjects. After a full description of a two level system characteristics, we show theoretically the effectof our probe on the reduction of the excited state life time and the enhancement of thefluorescence of the SE, in both regime, saturated and non-saturated. Then we describeexperimentally how our special tip reduces the excited state life time of quantum dots placed at theapex of it, respect to more conventional SNOM probes as the dielectric and the circular apertureones
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