Effet Hall de spin de la lumière dans les milieux désordonnés transversalement

Spin Hall effect of light in transversally disordered media

• Auteur / Autrice : Federico Carlini
• Direction : Nicolas Cherroret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/02/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Agnès Maître
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Romain Patrick Pierrat, Matthieu Bellec
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Allard P. Mosk, Bart A. van Tiggelen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique non linéaire

Hall, Effet

Lumière -- Propagation

Mots clés libres

Propagation de la lumière dans les milieux désordonnés

Interactions spin-Orbite de la lumière

Effet Hall de spin optique

Diffusion multiple

Light propagation in disordered media

Spin-Orbit interactions of light

Spin Hall effect of light

Multiple scattering

Résumé

Dans cette thèse, nous étudions théoriquement les manifestations des interactions spin-orbite de la lumière sur la propagation de faisceaux quasi-paraxiaux dans des milieux désordonnés transversalement, qui sont des matériaux tridimensionnels présentant un désordre spatial dans deux directions seulement. Dans une telle géométrie, il a été démontré que les interactions spin-orbite donnent lieu à un effet Hall de spin (EHS) de la lumière, un déplacement latéral dépendant de la polarisation de la composante balistique du faisceau dans le désordre, appelée mode cohérent. Alors que ce phénomène a été initialement mis en évidence dans un modèle idéalisé de désordre continu et non corrélé, dans cette thèse nous le caractérisons dans des modèles de désordre plus réalistes et fournissons des stratégies pour le rendre observable expérimentalement. Tout d'abord, nous étudions l’EHS dans le cas d'un désordre transverse continu corrélé, et montrons que la longueur de corrélation peut être avantageusement utilisée pour réaliser des EHS variés, y compris présentant des oscillations latérales.  Ensuite, nous considérons la propagation de la lumière dans un modèle discret, un réseau photonique de tubes diélectriques désordonnés. Dans ce cas, nous montrons que la nature résonante des diffuseurs peut être exploitée pour obtenir un EHS important du mode cohérent, observable dans les milieux désordonnés à la fois de faible et grande épaisseur optique. Enfin, nous apportons une première preuve théorique de l'existence d'un effet Hall de spin de la lumière non seulement dans le mode cohérent, mais aussi dans la composante de diffusion multiple dans le désordre transverse.

In this thesis, we theoretically investigate the manifestations of spin-orbit interactions of light on the propagation of near-paraxial beams in transversally disordered media, which are three-dimensional materials exhibiting spatial disorder in two directions only. In such a geometry, spin-orbit interactions have been shown to give rise to a spin Hall effect (SHE) of light, a polarization-dependent lateral shift of the ballistic component of the beam in the disorder, the so-called coherent mode. While this phenomenon has been originally evidenced in an idealized model of continuous, uncorrelated disorder, in this thesis we characterize it in more realistic disorder models and provide strategies to make it experimentally observable. First, we study the SHE in the case of a correlated continuous transverse disorder, and show that the correlation length can be advantageously used to tailor various types of SHEs, including a lateral oscillation of the coherent mode. Then, we consider light propagation in a discrete model, a photonic array of disordered dielectric tubes. In this case, we show that the resonant nature of the scatterers can be exploited to achieve a sizable spin Hall shift of the coherent mode, observable in both optically-thin and optically-thick disordered media. Finally, we provide first theoretical insights of the existence of a spin Hall effect not only in the coherent mode, but also in the multiple scattering component of the light in transverse disorder.