Décrire les propriétés électromagnétiques effectives de milieux particulaires denses comprenant des nanoparticules qui interagissent fortement avec la lumière est un problème notoirement difficile qui manque de solutions satisfaisantes. Cette situation entrave souvent leur utilisation pour des applications en dépit de certaines propriétés optiques remarquables. En faisant appel à des calculs numériques de haute précision, il est possible d’aborder ce problème et trouver une description en milieu effectif pour un système modèle dans un cas particulièrement intéressant correspondant à des agrégats sphériques denses de nanoparticules plasmoniques optiquement résonantes. De tels systèmes sont importants car ils peuvent être fabriqués expérimentalement et exhibent d’étonnantes propriétés d’interaction de la lumière avec la matière comme la diffusion vers l’avant ou le couplage critique. La lumière diffusée par les agrégats, ainsi que la densité d’état optique locale moyenne au sein des agrégats peuvent être reproduites avec précision en traitant le milieu moyen comme une sphère homogène.
Les résultats montrent que le problème est considérablement simplifié et se réduit à trois paramètres révélant l’émergence d’un magnétisme optique artificiel, ainsi que l’existence d’ondes longitudinales excitées dans ces structures. Ces deux phénomènes sont en principe proscrits dans les matériaux naturels aux fréquences optiques mais sont essentiels pour décrire avec précision le comportement de tels systèmes. Cette étude offre une solution pratique pour décrire la réponse électromagnétique des systèmes granulaires denses constitués d’inclusions résonnantes. Les implications de ce travail offrent une nouvelle perspective sur le traitement des milieux particulaires denses complexes et constituent une étape importante pour la conception et la compréhension futures des matériaux optiques artificiels.
Ce travail est le fruit d’une collaboration entre chercheurs du CRPP, de l’ILM de Lyon et d’ENSEMBLE3 en Pologne.
Article: R. Dwivedi, A. Aradian, V. Ponsinet, K. Vynck, & A. Baron. Effective-medium description of dense clusters of plasmonic nanoparticles with spatial dispersion. Physical Review A, 109, 023507 (2024).