Novel concepts for theoretical and applied problems of electromagnetism. Part 1 : Absolute representation of the fields in the spacetime map. Part 2 : Low-volume optical antennas for bolometer applications
Nouveaux concepts pour les problèmes théoriques et appliqués de l'électromagnétisme. Partie 1 : Représentation absolue des champs dans la carte de l'espace-temps. Partie 2 : Antennes optiques de faible volume pour applications bolométriques
Résumé
This work consists of two parts which, although very different from each other, both belong to the same field: electromagnetism and its modern problems. In the first part, an absolute geometrization of the electromagnetic field in spacetime is presented, challenging the claim that the only way to present electromagnetic field is abstraction. It is demonstrated that with the absolute topology in spacetime, two scalar invariants are sufficient to describe the electromagnetic field. Particular attention is paid to the case of y-invariant p-polarised field, the topology of which can be represented in 3D spacetime by lines (electric spaghetti), the two scalar invariants then being reduced to one. Unlike the world lines of particles, which are always time-like, these lines transcend the boundary between space and time. This new approach of the electromagnetic field opens up new perspectives both for teaching and for research, in particular the analysis of the topological properties of these absolute structures in spacetime. The second part is dedicated to a more applied problem, that of the development of nano-absorbers which could become the basis for a new generation of bolometers. In this work, it is demonstrated that thanks to the exceptional properties of plasmonic antennas (total absorption and strong confinement of the electromagnetic field), it is possible to design infrared absorbers whose volume is greatly reduced (several orders of magnitude) compared to those used in current microbolometers. These results pave the way for a major technological breakthrough which, by greatly reducing the thermal capacity of the absorbent, leads to a new sensitivity - speed compromise for bolometers whose performance should then be close to that of cooled photo-detectors.
Ce travail se compose de deux parties qui, bien que très différentes l'une de l'autre, appartiennent toutes deux au même domaine : l'électromagnétisme et ses problèmes modernes. Dans la première partie, une géométrisation absolue du champ électromagnétique dans l'espace-temps est présentée, remettant en cause l'affirmation selon laquelle la seule façon de présenter le champ électromagnétique est l'abstraction. Il est démontré qu'avec la topologie absolue de l'espace-temps, deux invariants scalaires suffisent à décrire entièrement le champ électromagnétique. Une attention particulière est accordée au cas d'un champ invariant selon une direction et polarisé, dont la topologie peut être représentée dans l'espace-temps 3D par des lignes (spaghettis électriques), les deux invariants scalaires étant alors réduits à un seul. Contrairement aux lignes du monde des particules, qui sont toujours de type temps, ces lignes transcendent la frontière entre l'espace et le temps. Cette approche du champ électromagnétique ouvre de nouvelles perspectives tant pour l'enseignement que pour la recherche, notamment l'analyse des propriétés topologiques de ces structures absolues dans l'espace-temps. La seconde partie est consacrée à un problème plus appliqué, celui du développement de nano-absorbeurs qui pourraient devenir la base d'une nouvelle génération de bolomètres. Dans ce travail, il est démontré que grâce aux propriétés exceptionnelles des antennes plasmoniques (absorption totale et fort confinement du champ électromagnétique), il est possible de concevoir des absorbeurs infrarouges dont le volume est fortement réduit (plusieurs ordres de grandeur) par rapport à ceux utilisés dans les microbolomètres actuels. Ces résultats ouvrent la voie à une rupture technologique majeure qui, en réduisant fortement la capacité thermique de l'absorbant, conduit à un nouveau compromis sensibilité - vitesse pour les bolomètres dont les performances devraient alors être proches de celles des photodétecteurs refroidis.
Origine : Version validée par le jury (STAR)