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Laboratoire de recherche

UMR 6602 - UCA/CNRS/SIGMA

N2 - Electromagnetism and Nanophotonics

Composition de l’équipe
  • Emmanuel Centeno, Pr, Responsable de l’équipe                                                        
  • Gérard Granet, Pr                                                                                                   
  • Rafik Smaali, MdC, Responsable adjoint
  • Kofi Edee, MdC
  • Antoine Moreau, MdC
  • Rémis Pollès, PRAG
  • Jean Chandezon, Pr. Emerite
  • Annie Gavaix, Pr. Emerite
Post-doctorants :
  • Mohammad Yehia Khaywah
Doctorants :
  • Armel Pitelet
  • Eduardo Alvear 
  • Maha Ben Rhouma
  • Pauline Bennet

Sujets de Recherche

Les domaines de recherche explorés par le groupe concernent la nanophotonique, la plasmonique et les métamatériaux. Pour simuler et comprendre l'interaction des ondes électromagnétiques avec ces systèmes complexes, nous développons des méthodes numériques spécifiques et originales (méthode C, méthodes paramétriques).

L'infiniment petit recèle une physique très riche qui est actuellement à l'origine de l'essor des nanosciences. La nano micro-structuration de la matière permet en particulier de contrôler les ondes électromagnétiques pour réaliser des composants intégrés pour des applications télécommunications, traitement de l'information, capteurs, imagerie, éclairage.

Plasmonique

Lorsque les photons interagissent avec les électrons présents dans les métaux, ils se créent des quasi-particules appelées plasmon-polariton qui localisent le champ électromagnétique (EM) à une échelle sub-longueur d'onde. Le fort confinement exalte le champ EM et permet de réaliser des composants très denses et très sensibles aux modifications de l'environnement et peu énergivores.

Dans le cadre du CPER Défi « MMaSyF » - Mobilités – Matériaux et Systèmes du Futur, nous étudions actuellement des systèmes plasmoniques à base de métaux nobles pour réaliser des composants pour l'éclairage.

Nous développons également des composants à base de semiconducteurs fortement dopés pour des applications capteurs fonctionnant dans les gammes moyen infrarouge - THz. Nous avons récemment démontré la possibilité de réaliser des antennes plasmoniques de type métal-isolant-métal (MIM) opérant dans le moyen infrarouge et ceci en collaboration avec l'Institut d'Electronique et des Systèmes de Montpellier. 

 

 

La plasmonique est également un moyen de tester les limites ultimes de l'interaction photon-électron et de révéler la nature non locale des électrons. Cette thématique est explorée dans le cadre du projet ANR Physique des Gap Plasmons: ANR PGP.  

Métamatériaux

La structuration à l'échelle sub-longueur de la matière permet de synthétiser des matériaux artificiels qui présentent des propriétés électromagnétiques nouvelles et contrôlées par la géométrie. Les métamatériaux hyperboliques sont en particulier des structures simples alternant des couches métalliques et diélectriques mais qui présentent une forte anisotropie. Les métamatériaux hyperboliques supportent ainsi des modes de propagation dont le vecteur d'onde est très supérieur à celui dans le vide. Cette propriété permet de concevoir des lentilles présentant un pouvoir de résolution dépassant la limite de diffraction. En utilisant cette propriété nous avons récemment proposé le concept de d'antennes à métamatériaux hyperboliques qui dépassent les limites conventionnelles de miniaturasation des antennes plasmoniques. Le taux de remplissage en metal et diélectrique offre un degré de liberté supplémentaire qui permet d'ajuster la fréquence de l'antenne dans toute la gamme du moyen infrarouge.

 

Méthodes numériques et optimisation

Le développement de méthodes numériques performantes et rigoureuses est essentielle pour étudier et concevoir des structures photoniques. L'équipe présente un savoir faire internationalement reconnu dans ce domaine dont l'origine remonte au développement de la méthode C et des approches de transformation paramétriques des coordonnées utilisant le formalisme covariant des équations de Maxwell. Appliquées aux méthodes modales de type Rigorous coupled wave analysis (RCWA), ces approches permettent de simplifier les conditions de raccord des champs électromagnétiques aux interfaces des structures et diminuent les problèmes de convergence liés aux discontinuités de l'indice de réfraction. Ces derniers points sont essentiels pour modéliser et simuler les propriétés des structures plasmoniques qui présentent de fortes variations de l'indice optique à des échelles sub-longueur d'onde. Nous avons récemment développé une nouvelle méthode appelée "Polynomial Modal Method" (PMM) qui permet de s'affranchir des limitations de la méthode RCWA en termes de temps de calculs et de précision pour la modélisation fidèle de structures plasmoniques 3D.

Diffraction par un diffuseur 3D

 

L'équipe développe également des méthodes d'optimisation basées sur des algorithmes évolutionnaires. Ces travaux s'inscrivent dans le cadre d'une collaboration avec Facebook Research ont permis de mieux comprendre l'émergence de structures photoniques chez les insectes et sont appliqués pour dessiner des structures optimales. Nous contribuons également au développement de nouveaux outils pour l'intelligence artificielle. Nos codes sont désormais inclus dans la plateforme Facebook d'optimisation Nevergrad.

 

 

 

 


Collaborations

  • Institut d'Electronique et des Systèmes et Institut Charles Coulomb Montpellier
  • CEA LETI (Grenoble); CEA LIST (Saclay)
  • INRIA Sofia Antipolis  
  • Institut Hubert Curien Université Jean Monnet de Saint Etienne
  • Université Technologique de Troyes
  • Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg
  • Facebook Artificial Intelligence Research 
  • CEMES, Toulouse
  • Duke University
  • Standford University
  • Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne
  • Demcritus  University of Thrace.
  • Université de Tsinghua à Pékin
  • IRENAS, Kharkov Ukraine

Publications récentes

2019

  • A. Pitelet, N. Schmitt, D. Loukrezis, C. Scheid, H. De Gersem, C. Ciracì, E. Centeno, A. Moreau, "Influence of spatial dispersion on surface plasmons, nanoparticles, and grating couplers", J. Opt. Soc. Am. B 36 (11), 2989 (2019).
  • U. Kumar, A. Cuche, J. Sharma, A. Moreau, G. Colas des Francs, C. Girard, E. Dujardin,"Spectral Tuning of High Order Plasmonic Resonances in Multimodal Film‐Coupled Crystalline Cavities", Advanced Optical Materials, 1801787 (2019).
  • R. Smaali, F. Omeis, E. Centeno, T. Taliercio, F. Gonzalez-Posada, L. Cerutti, "Giant Rabi splitting at the phonon line within all-semiconductor metallic-insulator-metallic antennas", Phys. Rev. B Rapid Comm. 100 (4), 041302 (2019).
  • R. Ajib, A. Pitelet, R. Pollès, E. Centeno, Z. Ajaltouni, A. Moreau, "The energy point of view in plasmonics", J. Opt. Soc. Am. B 36 (4), 1150 (2019).
  • T. Phan , D. Sell, E. W. Wang, S. Doshay, K. Edee, J. Yang, J. A. Fan, "High-efficiency, large-area, topologyoptimized metasurfaces", Light Science and Applications 8, 48 (2019).
  • K. Edee, M. Benrhouma, M. Antezza, J. Albert Fan, B. Guizal, "Coupling between subwavelength nano-slit lattice modes and metal-insulator-graphene cavity modes: a semi-analytical model", OSA Continuum 2, 1296 (2019).
  • K. Edee, E. Ruiz, M. Benrhouma, M. Abboud, "Theoretical analysis of the optical Hall effect in a 2D nano-cross-slit grating in the extraordinary optical transmission range ", J. Opt. Soc. Am. B 36, 3492 (2019).
  • K. Edee, "Understanding the plane wave excitation of the metal-insulator-metal gap plasmon mode of a nanoribbons periodic array: role of insulator-metal-insulator lattice mode", OSA Continuum 2, 389 (2019).
  • J Chandezon, A Gavaix, O Parriaux, C Kneale,"Application of Heisenberg uncertainty relation for the optimal modeling of surface diffraction", J. Opt. Soc. Am. A 36, 594 (2019).

2018

2017

2016 

  • R. Pollès, M. Mihailovic, E. Centeno, and A. Moreau, “Leveraging beam deformation to improve the detection of resonances,” Phys. Rev. A 94, 063808, (2016).
  • A. Farhaoui, A. Bousquet, R. Smaali, A. Moreau, E. Centeno, J. Cellier, C. Bernard, R. Rapegno, F. Réveret, and E. Tomasella, “Reactive gas pulsing sputtering process, a promising technique to elaborate silicon oxynitride multilayer nanometric antireflective coatings,” J Phys D Appl Phys 50, 015306 (2016).
  • R. Smaali, F. Omeis, A. Moreau, T. Taliercio, and E. Centeno, “A universal design to realize a tunable perfect absorber from infrared to microwaves,” Scientific Reports 6, 32589 (2016).
  • R. Smaali, T. Taliercio, and E. Centeno, “Photo-generated metasurfaces for resonant and high modulation of terahertz signals,” Optics Letters 41, 3900 (2016).
  • M. Dechaux, P-H Tichit, C. Ciracì, J. Benedicto, R. Pollès, E. Centeno, D. R. Smith, A. Moreau, "Influence of spatial dispersion in metals on the optical response of deeply subwavelength slit arrays", Phys. Rev. B 93, 045413 (2016).
  • J. Defrance, C. Lemaître, R. Ajib, J. Benedicto, E. Mallet, R. Pollès, J.-P. Plumey, M. Mihailovic, E. Centeno, C. Ciracì, D. Smith, and A. Moreau, “Moosh: A Numerical Swiss Army Knife for the Optics of Multilayers in Octave/Matlab,” Journal of Open Research Software 4, 504 (2016).
  • MH Randriamihaja, G Granet, K Edee, K Raniriharinosy, "Polynomial modal analysis of lamellar diffraction gratings in conical mounting", J. Opt. Soc. Am. A, 33 (9), 1679 (2016).
  • D Prémel, G Granet, F Caire, "Matching curvilinear coordinates for the computation of the distribution of eddy currents in a cylindrical tube described by an arbitrary longitudinal internal/external profile", The European Physical Journal Applied Physics 73 (1), 10903 (2016).
  • N Schmitt, C Scheid, S Lanteri, A Moreau, J Viquerat, "A DGTD method for the numerical modeling of the interaction of light with nanometer scale metallic structures taking into account non-local dispersion effects", Journal of Computational Physics 316, 396 (2016).

2015