Full control of electric and magnetic light-matter interactions through a nanomirror on a near-field tip

Benoît Reynier (1) , Eric Charron (1) , Obren Markovic (1) , Xingyu Yang , Bruno Gallas , Alban Ferrier (2) , Sébastien Bidault (3) , Mathieu Mivelle (4, 5)

1 INSP - Institut des Nanosciences de Paris
2 IRCP - Institut de Recherche de Chimie Paris
3 ILL - Institut Laue-Langevin
4 INSP-E4 - Nanostructures et optique
5 INSP - Institut des Nanosciences de Paris

Light-matter interactions are often considered governed by the electric optical field only, leaving aside the magnetic component of light. However, the magnetic part plays a determining role in many optical processes from light and chiralmatter interactions, photon-avalanching to forbidden photochemistry, making the manipulation of magnetic processes extremely relevant. Here, by creating a standing wave using a metallic nanomirror we manipulate the spatial distributions of the electric and magnetic fields and their associated local densities of states, allowing the selective control of the excitation and emission of electric and magnetic dipolar transitions. This control allows us to image, in 3D, the electric and magnetic nodes and anti-nodes of the fields' interference pattern. It also enables us to enhance specifically photoluminescence from quantum emitters excited only by the magnetic field, and to manipulate their spontaneous emission by acting on the excitation fields solely, demonstrating full control of magnetic and electric light-matter interactions.

Les interactions lumière-matière sont souvent considérées comme régies par le seul champ optique électrique, laissant de côté la composante magnétique de la lumière. Cependant, la composante magnétique joue un rôle déterminant dans de nombreux processus optiques, depuis les interactions lumière-matière chirale et l'avalanche de photons, jusqu'à la photochimie interdite, ce qui rend la manipulation des processus magnétiques extrêmement pertinente. Ici, en créant une onde stationnaire à l'aide d'un nanomiroir métallique, nous manipulons les distributions spatiales des champs électriques et magnétiques et leurs densités d'états locales associées, ce qui permet un contrôle sélectif de l'excitation et de l'émission des transitions dipolaires électriques et magnétiques. Ce contrôle nous permet d'imager, en 3D, les nœuds et anti-nœuds électriques et magnétiques des figures d'interférence des champs. Il nous permet également de renforcer spécifiquement la photoluminescence d'émetteurs quantiques excités uniquement par le champ magnétique, et de manipuler leur émission spontanée en agissant uniquement sur les champs d'excitation, démontrant ainsi un contrôle total des interactions magnétiques et électriques entre la lumière et la matière.

Domaines: Physique [physics]

Benoît Reynier, Eric Charron, Obren Markovic, Xingyu Yang, Bruno Gallas, et al.. Full control of electric and magnetic light-matter interactions through a nanomirror on a near-field tip. Optica, 2023, 10 (7), pp.841. ⟨10.1364/OPTICA.486207⟩. ⟨hal-04195064⟩