Le contrôle des émetteurs quantiques (atomes, molécules, boîtes quantiques, etc) et de l'interaction lumière-matière est un enjeu majeur pour la conception des systèmes pour le traitement optique de l'information à l'échelle quantique. Il est possible par exemple de contrôler la dynamique d'un émetteur couplé à un mode de cavité à haut facteur de qualité par le biais de l'électrodynamique quantique en cavité (cQED). Les structures plasmoniques présentent un intérêt de plus en plus important pour le contrôle quantique à l’échelle nanométrique car elles permettent un confinement de la lumière au-delà de la limite de diffraction. Cependant, les applications de la plasmonique quantique apparaissent limitées en pratique à cause de la présence intrinsèque de nombreux modes dissipatifs, ce qui complique la description et l’interprétation de l’interaction et introduit une forte décohérence dans le système. Le sujet de cette thèse porte sur la description quantique du couplage entre un ou plusieurs émetteurs et les plasmons de surfaces localisés d'une nano-particule métallique. Ce travail théorique et numérique repose sur un modèle effectif dédié à la plasmonique quantique faisant le lien avec l'électrodynamique quantique en cavité. L'Hamiltonien effectif sous-jacent est construit sur la décomposition modale de la densité d'état locale de l'émetteur en présence de la nanoparticule impliquant des pseudo-modes plasmoniques discrets avec pertes. L’introduction d'un environnement permet d'établir une équation maîtresse effective où les modes radiatifs sont à l'origine des profils de résonance de type Fano que l'on peut observer lorsque les dimensions de la particule deviennent suffisamment importantes. Ce modèle effectif est utilisé pour décrire l'émission collective d'un ensemble d'émetteurs en régime de couplage faible. Selon la configuration spatiale des émetteurs, nous avons mis en évidence une exaltation (effet Purcell) ou un blocage de l'émission superradiante. Nous étudions également le régime de couplage fort pour lequel le système hybride émetteurs+nano-particule est décrit en représentation de l'atome habillé.
Le contrôle des émetteurs quantiques (atomes, molécules, boîtes quantiques, etc) et de l'interaction lumière-matière est un enjeu majeur pour la conception des systèmes pour le traitement optique de l'information à l'échelle quantique. Il est possible par exemple de contrôler la dynamique d'un émetteur couplé à un mode de cavité à haut facteur de qualité par le biais de l'électrodynamique quantique en cavité (cQED). Les structures plasmoniques présentent un intérêt de plus en plus important pour le contrôle quantique à l’échelle nanométrique car elles permettent un confinement de la lumière au-delà de la limite de diffraction. Cependant, les applications de la plasmonique quantique apparaissent limitées en pratique à cause de la présence intrinsèque de nombreux modes dissipatifs, ce qui complique la description et l’interprétation de l’interaction et introduit une forte décohérence dans le système. Le sujet de cette thèse porte sur la description quantique du couplage entre un ou plusieurs émetteurs et les plasmons de surfaces localisés d'une nano-particule métallique. Ce travail théorique et numérique repose sur un modèle effectif dédié à la plasmonique quantique faisant le lien avec l'électrodynamique quantique en cavité. L'Hamiltonien effectif sous-jacent est construit sur la décomposition modale de la densité d'état locale de l'émetteur en présence de la nanoparticule impliquant des pseudo-modes plasmoniques discrets avec pertes. L’introduction d'un environnement permet d'établir une équation maîtresse effective où les modes radiatifs sont à l'origine des profils de résonance de type Fano que l'on peut observer lorsque les dimensions de la particule deviennent suffisamment importantes. Ce modèle effectif est utilisé pour décrire l'émission collective d'un ensemble d'émetteurs en régime de couplage faible. Selon la configuration spatiale des émetteurs, nous avons mis en évidence une exaltation (effet Purcell) ou un blocage de l'émission superradiante. Nous étudions également le régime de couplage fort pour lequel le système hybride émetteurs+nano-particule est décrit en représentation de l'atome habillé.
Le contrôle des émetteurs quantiques (atomes, molécules, boîtes quantiques, etc) et de l'interaction lumière-matière est un enjeu majeur pour la conception des systèmes pour le traitement optique de l'information à l'échelle quantique. Il est possible par exemple de contrôler la dynamique d'un émetteur couplé à un mode de cavité à haut facteur de qualité par le biais de l'électrodynamique quantique en cavité (cQED). Les structures plasmoniques présentent un intérêt de plus en plus important pour le contrôle quantique à l’échelle nanométrique car elles permettent un confinement de la lumière au-delà de la limite de diffraction. Cependant, les applications de la plasmonique quantique apparaissent limitées en pratique à cause de la présence intrinsèque de nombreux modes dissipatifs, ce qui complique la description et l’interprétation de l’interaction et introduit une forte décohérence dans le système. Le sujet de cette thèse porte sur la description quantique du couplage entre un ou plusieurs émetteurs et les plasmons de surfaces localisés d'une nano-particule métallique. Ce travail théorique et numérique repose sur un modèle effectif dédié à la plasmonique quantique faisant le lien avec l'électrodynamique quantique en cavité. L'Hamiltonien effectif sous-jacent est construit sur la décomposition modale de la densité d'état locale de l'émetteur en présence de la nanoparticule impliquant des pseudo-modes plasmoniques discrets avec pertes. L’introduction d'un environnement permet d'établir une équation maîtresse effective où les modes radiatifs sont à l'origine des profils de résonance de type Fano que l'on peut observer lorsque les dimensions de la particule deviennent suffisamment importantes. Ce modèle effectif est utilisé pour décrire l'émission collective d'un ensemble d'émetteurs en régime de couplage faible. Selon la configuration spatiale des émetteurs, nous avons mis en évidence une exaltation (effet Purcell) ou un blocage de l'émission superradiante. Nous étudions également le régime de couplage fort pour lequel le système hybride émetteurs+nano-particule est décrit en représentation de l'atome habillé.
Le contrôle des émetteurs quantiques (atomes, molécules, boîtes quantiques, etc) et de l'interaction lumière-matière est un enjeu majeur pour la conception des systèmes pour le traitement optique de l'information à l'échelle quantique. Il est possible par exemple de contrôler la dynamique d'un émetteur couplé à un mode de cavité à haut facteur de qualité par le biais de l'électrodynamique quantique en cavité (cQED). Les structures plasmoniques présentent un intérêt de plus en plus important pour le contrôle quantique à l’échelle nanométrique car elles permettent un confinement de la lumière au-delà de la limite de diffraction. Cependant, les applications de la plasmonique quantique apparaissent limitées en pratique à cause de la présence intrinsèque de nombreux modes dissipatifs, ce qui complique la description et l’interprétation de l’interaction et introduit une forte décohérence dans le système. Le sujet de cette thèse porte sur la description quantique du couplage entre un ou plusieurs émetteurs et les plasmons de surfaces localisés d'une nano-particule métallique. Ce travail théorique et numérique repose sur un modèle effectif dédié à la plasmonique quantique faisant le lien avec l'électrodynamique quantique en cavité. L'Hamiltonien effectif sous-jacent est construit sur la décomposition modale de la densité d'état locale de l'émetteur en présence de la nanoparticule impliquant des pseudo-modes plasmoniques discrets avec pertes. L’introduction d'un environnement permet d'établir une équation maîtresse effective où les modes radiatifs sont à l'origine des profils de résonance de type Fano que l'on peut observer lorsque les dimensions de la particule deviennent suffisamment importantes. Ce modèle effectif est utilisé pour décrire l'émission collective d'un ensemble d'émetteurs en régime de couplage faible. Selon la configuration spatiale des émetteurs, nous avons mis en évidence une exaltation (effet Purcell) ou un blocage de l'émission superradiante. Nous étudions également le régime de couplage fort pour lequel le système hybride émetteurs+nano-particule est décrit en représentation de l'atome habillé.
L’émission spontanée de lumière par un émetteur n’est pas un processus intrinsèque. D’une part, il dépend de l’environnement électromagnétique. D’autre part, il dépend de la présence d’autres émetteurs avec lesquels il peut interagir et générer des interférences.Ces deux effets ont été, dans la plupart des cas, étudiés de manière indépendante. L'objectif de cette thèse est d'explorer comment contrôler l'émission de lumière en utilisant simultanément ces deux types d’effets.La première partie est consacrée à une étude théorique d'un système idéal de deux émetteurs couplés à un résonateur. Les deux émetteurs sont placés à proximité, et l’interaction dipôle-dipôle conduit à la formation de deux états, superradiant et sous-radiant. Le système que l’on obtient agit en tant que source et mémoire quantique de photons uniques, efficace et modulable. On étudie ensuite le cas d’un résonateur plasmonique, à symétrie spatiale antisymétrique, qui permet d’exciter efficacement l’état sous-radiant. On montre qu’on obtient ainsi une forte exaltation de l'effet Purcell, tout en conservant un état spectralement étroit.La deuxième partie explore un système comportant un très grand nombre d’émetteurs couplés à un plasmon de surface se propageant le long d’une interface métal air. Les émetteurs sont des nanoplaquettes, ou puits quantiques colloïdaux. Lorsqu’un film de nanoplaquettes est déposé sur le métal, il est possible d’obtenir un couplage fort. Ce couplage au plasmon de surface permet d'obtenir une émission directive et polarisée.
L’émission spontanée de lumière par un émetteur n’est pas un processus intrinsèque. D’une part, il dépend de l’environnement électromagnétique. D’autre part, il dépend de la présence d’autres émetteurs avec lesquels il peut interagir et générer des interférences.Ces deux effets ont été, dans la plupart des cas, étudiés de manière indépendante. L'objectif de cette thèse est d'explorer comment contrôler l'émission de lumière en utilisant simultanément ces deux types d’effets.La première partie est consacrée à une étude théorique d'un système idéal de deux émetteurs couplés à un résonateur. Les deux émetteurs sont placés à proximité, et l’interaction dipôle-dipôle conduit à la formation de deux états, superradiant et sous-radiant. Le système que l’on obtient agit en tant que source et mémoire quantique de photons uniques, efficace et modulable. On étudie ensuite le cas d’un résonateur plasmonique, à symétrie spatiale antisymétrique, qui permet d’exciter efficacement l’état sous-radiant. On montre qu’on obtient ainsi une forte exaltation de l'effet Purcell, tout en conservant un état spectralement étroit.La deuxième partie explore un système comportant un très grand nombre d’émetteurs couplés à un plasmon de surface se propageant le long d’une interface métal air. Les émetteurs sont des nanoplaquettes, ou puits quantiques colloïdaux. Lorsqu’un film de nanoplaquettes est déposé sur le métal, il est possible d’obtenir un couplage fort. Ce couplage au plasmon de surface permet d'obtenir une émission directive et polarisée.
L’émission spontanée de lumière par un émetteur n’est pas un processus intrinsèque. D’une part, il dépend de l’environnement électromagnétique. D’autre part, il dépend de la présence d’autres émetteurs avec lesquels il peut interagir et générer des interférences.Ces deux effets ont été, dans la plupart des cas, étudiés de manière indépendante. L'objectif de cette thèse est d'explorer comment contrôler l'émission de lumière en utilisant simultanément ces deux types d’effets.La première partie est consacrée à une étude théorique d'un système idéal de deux émetteurs couplés à un résonateur. Les deux émetteurs sont placés à proximité, et l’interaction dipôle-dipôle conduit à la formation de deux états, superradiant et sous-radiant. Le système que l’on obtient agit en tant que source et mémoire quantique de photons uniques, efficace et modulable. On étudie ensuite le cas d’un résonateur plasmonique, à symétrie spatiale antisymétrique, qui permet d’exciter efficacement l’état sous-radiant. On montre qu’on obtient ainsi une forte exaltation de l'effet Purcell, tout en conservant un état spectralement étroit.La deuxième partie explore un système comportant un très grand nombre d’émetteurs couplés à un plasmon de surface se propageant le long d’une interface métal air. Les émetteurs sont des nanoplaquettes, ou puits quantiques colloïdaux. Lorsqu’un film de nanoplaquettes est déposé sur le métal, il est possible d’obtenir un couplage fort. Ce couplage au plasmon de surface permet d'obtenir une émission directive et polarisée.
L’electrodynamique quantique est une discipline qui s’intéresse à l’interaction de la lumière et de la matière à l'échelle atomique. En plaçant des atomes au sein d’une cavité optique, il est possible d’augmenter l’amplitude de leur interaction avec les fluctuations du vide du champ électromagnétique. Il est même possible de l’augmenter d’une façon telle qu’une transition de phase quantique “superradiante” ait lieu, le système passant d’un état dit normal (vide de photons et atomes dans leur état fondamental) à un état dit superradiant (présence de photons et d’excitations atomiques au sein de l’état fondamental). Cependant, cette prédiction théorique semble être interdite par le “théorème No-Go” pour les transitions de phases superradiantes. Nous avons remis en cause certaines des hypothèses de ce théorème et montré que sous ces nouvelles conditions, la transition de phase superradiante est possible. Nous nous sommes également intéressés à une nouvelle discipline, l’électrodynamique des circuits, qui permet de créer des “atomes artificiels” composés de matériaux supraconducteurs dont les propriétés sont plus flexibles et contrôlables que les “atomes naturels”. Cette plus grande flexibilité nous a permis d’envisager un nouveau type de transition de phase superradiante laissant apparaître un diagramme de phase plus riche que la transition de phase superradiante traditionnelle.