Jury :

• Yanko TODOROV                Laboratoire de physique de l’ENS        Rapporteur
• Oleg MITROFANOV            University College London                    Rapporteur
• Giacomo SCALARI              ETH Zürich                                               Examinateur
• • Romain PERETTI               IEMN                                                          Co-directeur de thèse
  • Jean-François LAMPIN     IEMN                                                          Directeur de Thèse
  Peter Qiang LIU                   University at Buffalo                              Invité
  Juliette MANGENEY           Laboratoire de physique de l’ENS       Examinatrice

Summary:

À la frontière de l’optique et de l’électronique, la gamme de fréquences térahertz (THz) suscite un intérêt croissant pour des applications allant des télécommunications à haut débit à l’électronique.
térahertz (THz) suscite un intérêt croissant dans des applications allant de la télécommunication à haut débit de données au contrôle non destructif à des essais non destructifs. La spectroscopie THz devrait avoir une utilité précieuse pour l’analyse des échantillons biologiques. Cependant, de nombreux objets d’intérêt tels que les cellules vivantes, les virus ou les protéines sont deux ordres de grandeur plus petits que les longueurs d’onde THz.
Les résonateurs sub-longueur d’onde ont été largement étudiés en tant que blocs de construction de métamatériaux. En tirant parti de leurs propriétés dispersives, il est possible de créer un milieu optique artificiel présentant des propriétés diélectriques exotiques, telles que l’utilisation de l’énergie solaire. milieu optique artificiel avec des propriétés diélectriques exotiques telles qu’un indice de réfraction négatif.
Cependant, les progrès récents de la spectroscopie THz et de l’optique en champ proche ont ouvert la voie à l’étude des sous-ondes individuelles. ouvrir la voie à l’étude de résonateurs individuels sub-longueur d’onde et à l’exploitation complète de leurs propriétés en champ proche. leurs propriétés en champ proche. Cette thèse se concentre sur le cas des résonateurs à anneau fendu (SRR). (SRR), qui sont de petites structures métalliques se comportant comme un circuit RLC confinant le champ électrique dans une zone arbitrairement petite. champ électrique dans une zone capacitive arbitrairement petite. Le confinement du champ électrique
fourni par les SRRs est utilisé pour s’affranchir de la limite de diffraction d’Abbe et réaliser des spectroscopies sur des échantillons deux ordres de grandeur plus petits que la longueur d’onde d’intérêt.
Dans cette thèse, nous développons un modèle analytique afin de comprendre le comportement d’une
comportement d’un SRR couplé à un matériau échantillon et extraire des informations sur ce matériau à partir d’une mesure spectroscopique du SRR. mesure spectroscopique du RRF. Ensuite, nous concevons et fabriquons un SRR compatible avec la spectroscopie THz dans le domaine temporel (THz-TDS) réalisée sur des résonateurs individuels.résonateurs individuels. Ensuite, nous explorons la microscopie à balayage de diffusion en champ proche comme un outil pour mesurer le profil de champ électrique de résonateurs individuels.
pour mesurer le profil du champ électrique du résonateur fabriqué. Ensuite, nous réalisons des expériences de THz-TDS sur des résonateurs uniques couplés à une quantité nanométrique d’un échantillon de matériau. Enfin, nous explorons la possibilité de générer des forces optiques à partir du fort gradient de champ créé par les SRR.
Nous avons développé un ensemble d’outils qui nous ont permis d’être parmi les premiers à effectuer des mesures spectroscopiques sur des résonateurs uniques dans la gamme THz et à en extraire des informations. et d’en extraire des informations. Les modèles analytiques peuvent encore être améliorés, mais ils fournissent déjà une bonne compréhension des données expérimentales. bonne compréhension des données expérimentales. Nous pensons que ce travail ouvre la voie la spectroscopie THz à l’échelle nanométrique.

Abstract:

At the boundary between optics and electronics, the terahertz (THz) frequency range has seen a growing interest in applications going from high data rate telecommunication to non-destructive testing. THz spectroscopy is expected to have a valuable purpose for analyzing biological samples. However, many objects of interest such as living cells, viruses, or proteins are two orders of magnitude smaller than THz wavelengths.
Sub-wavelength resonators have been widely studied as building blocks of metamaterial. Taking advantage of their dispersive properties, one can create an artificial optical medium with exotic dielectric properties such as a negative refractive index.
However, the recent progress in THz spectroscopy and near-field optic has opened the path to study individual sub-wavelength resonators and fully take advantage of their near-field properties. This thesis focuses on the case of Split Ring Resonators (SRR), which are small metallic structures behaving as an RLC circuit confining the electric field in an arbitrarily small capacitive area. The electric field confinement provided by SRRs is used to get rid of the Abbe diffraction limit and perform spectroscopy on samples two orders of magnitude smaller than the wavelength of interest.
In this thesis, we develop an analytical model to understand the behavior of an SRR coupled to a sample material and extract information on that material from a spectroscopic measurement of the SRR. Then we design and fabricate an SRR compatible with THz time-domain spectroscopy (THz-TDS) performed on individual resonators. Afterward, we explore scattering scanning near field microscopy as a tool to measure the electric field profile of the fabricated SRR. Next, we perform THz-TDS experiment on single resonators coupled to a nanometric amount of a samplematerial. Finally, we explore the possibility to generate optical forces from the strong field gradient created by SRRs.
We developed a set of tools that allowed us to be among the first to conduct spectroscopy measurements on single SRRs in the THz range and extract information from them. The analytical models can still be improved, but they already provide a good understanding of the experimental data. We believe this work opens the pathto THz spectroscopy at the nano-scale.