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Fano devient Nano

par Keller Arne - 3 septembre 2015

Les interférences de Fano se produisent lorsqu’un système quantique peut emprunter deux voies pour se fragmenter.
Dans un article à paraître dans Physical Review Letters., Daniel Finkelstein-Shapiro a revisité ce phénomène fondamental dans le cadre d’une collaboration réunissant des chercheurs du Laboratoire de Chimie Théorique de l’Université Pierre et Marie Curie, du Département de Chimie de l’Arizona State University et de l’ISMO.

L’observation d’interférences est une des signatures d’un processus quantique, comme par exemple une particule qui a la possibilité d’emprunter deux chemins pour atteindre sont état final et qui n’y parvient pas à cause d’interférences destructive. La spécificité du phénomène des interférences de Fano est que l’état final est constitué d’une infinité continue d’états.
Les interférences de Fano ont été observée pour la première fois en 1935 lors d’expériences de photo-ionisation d’atomes et ont été expliquées par Fano en 1961. Récemment, avec les progrès de la nanotechnologie, des signatures similaires ont été observées dans des nano-strucures variées mais la théorie originale n’est plus adaptées.
Dans un article à paraître dans Physical Review Letters., Daniel Finkelstein-Shapiro a revisité et reformulé cette théorie importante pour quel soit adaptée au nouveaux systèmes quantiques issue de la nanotechnologies et inspire de nouveaux dispositifs.
Ce travail a été effectué dans le cadre d’une collaboration réunissant des chercheurs du Laboratoire de Chimie Théorique de l’Université Pierre et Marie Curie, du Département de Chimie de l’Arizona State University et de l’ISMO et a été partiellement financé par l’ANR, la NSF et le programme Research in Paris de la mairie de Paris.

Profils de Fano

Signatures spectrales Fano-Liouville dans des systèmes quantiques ouverts.

Les interférences de Fano se produisent lorsqu’un système quantique peut emprunter deux voies pour se fragmenter. Une voie directe et une autre indirecte passant par un état instable qui donnera lieu à une fragmentation après une durée de vie finie. Ce phénomène a été observé pour la première fois en 1935 par H. Beutler dans le cas de la photo-ionisation de l’atome d’Helium. Ces interférences se traduisent par une asymétrie caractéristique du spectre d’absorption de la lumière par ces atomes. Un premier modèle théorique avait été conçu par Fano la même année, qu’il à lui-même généralisé en 1961, dans un article resté célèbre, puisque faisant partie des quelques articles de Physical Review cités plus de 1000 fois.

Depuis, les interférences de Fano ont été finement caractérisées dans plusieurs systèmes atomiques, et moléculaires. Plus récemment, le même type de phénomène à été observé dans des systèmes nano-structurés très variés, comme des systèmes plasmoniques, des points quantiques semi-conducteurs ou des molécules adsorbées sur des surfaces métalliques, par exemple.

Dans un article à paraître dans Physical Review Letters., Daniel Finkelstein-Shapiro a revisité ce phénomène fondamental dans le cadre d’une collaboration réunissant des chercheurs du Laboratoire de Chimie Théorique de l’Université Pierre et Marie Curie, du Département de Chimie de l’Arizona State University et de l’ISMO.

Le travail a consisté à généraliser le modèle de Fano dans deux directions : une description complète de l’émission de la lumière par le système quantique d’une part, et la prise en compte des processus de dissipation et de relaxation d’autre part. Ainsi, les spectres Rayleigh, Raman et d’émission de fluorescence ont été calculés et des expressions analytiques ont été obtenues.

Ces résultats théoriques permettront d’interpréter de façon plus fine, les nombreuses expériences de spectroscopie où les interférences de Fano sont aujourd’hui observées, et d’extraire les constantes de temps de relaxation du système quantique étudié.
Ils ouvrent aussi la voie pour suggérer de nouvelles expériences et pour la conception de
dispositifs nano-optique utilisant cet effet fascinant.

arXiv : http://arxiv.org/abs/1503.03051
Fano-Liouville spectral signatures in open quantum systems
Daniel Finkelstein-Shapiro, Ines Urdaneta, Monica Calatayud, Osman Atabek, Vladimiro Mujica, and Arne Keller