Numerical simulation of the collective electronic excitation of metallic nanoparticules by an electronic beam

Les possibilités récentes de contrôler la fabrication de nanostructures à l'échelle nanoscopique ont ouvert de nombreuses pistes en recherche appliquée et fondamentale, notamment dans le domaine des propriétés optiques des matériaux. La réponse de ces nanomatériaux à une perturbation électromagnétique extérieure est liée à l'excitation des modes électroniques collectifs de surface, les plasmons. Ils sont caractéristiques des interfaces entre deux milieux (ici, le métal et l'air) et leur énergie, leur section efficace d'excitation et leur champ électromagnétique de réponse dépendent de la taille et de la forme des nanoparticules ou encore du couplage entre elles, ou avec une surface. Ce domaine de recherche, baptisé plasmonique se situe donc à la croisée de la nano-physique et de l'optique
Ce projet se situe en amont de ces possibilités d'applications. Il a comme objectif général l'étude fondamentale et la simulation numérique de l'excitation de plasmons de surface de nanoparticules métalliques en réponse à une excitation électromagnétique extérieure dans le domaine des fréquences visibles et ultraviolettes. Il se base à la fois sur une expertise du laboratoire dans le domaine de la réponse électromagnétique des nanoparticules et sur des résultats expérimentaux récents qui ouvrent de nombreuses perspectives.
En raison de la nouveauté de la problématique, peu de techniques de modélisation existent pour décrire (et simuler) l'interaction d'une sonde électronique avec des nanoparticules métalliques. Outre les modèles analytiques pour les particules hautement symétriques (sphères, cylindres, ...), on ne peut citer qu'une approche de 'Boundary Element Model' (BEM), développée à Madrid et une approche de dipôles discrets (DDA) que nous venons d'adapter au LPS. La personne engagée aura comme objectif d'implémenter le BEM et de comparer les résultats de cette approche aux résultats expérimentaux et à ceux obtenus en DDA. Cette comparaison permettra d'avancer dans la compréhension des paramètres physiques importants pour la modélisation des excitations des plasmons de surface et donc de mieux comprendre la physique sous-jacente. Par exemple, une possibilité de transfert d'électrons d'un côté à l'autre de la nanoparticule sera étudiée en ajoutant des charges 'mobiles' au modèle DDA. Cette approche a été utilisée au laboratoire dans un contexte différent.