Le couplage fort décrit l’interaction entre deux systèmes couplés. Le système total ne présente plus les énergies propres du plasmon et de l’exciton mais 2 nouvelles énergies séparées de l’énergie de Rabi. La condition d’existence du couplage fort est que l’énergie de Rabi doit être plus grande que les largeurs spectrales du plasmon et de l’exciton.

La séparation en énergie s’obtient à partir de relations de dispersion.  Au point d’accord spectral, le système est caractérisé non plus par chaque système indépendant mais par deux branches polaritoniques. Un exemple est illustré par la figure de gauche obtenu par une mesure de reflectivité angulaire d'une couche de molécules TDBC sur une surface plane d'argent. Les courbes en pointillées représentent les 2 systèmes indépendants et la courbe en trait plein le système couplé. Cette courbe d'anticroisement est typique du couplage fort.

Le couplage fort plasmon-exciton crée un nouvel état mélangeant les propriétés des deux systèmes couplés. Pour compenser les pertes provenant de la structures métalliques, il est plus facile d'obtenir le couplage fort entre un grand nombre d'émetteurs et le même mode plasmon. Nous avons montré que l'énergie de Rabi est proportionnelle à la racine carré de l'absorption (concentration en molécule), ce qui constitue une première preuve de l'aspect collectif.

D'autre part, nous avons mis en évidence l'extension spatiale de cette molécule plasmonique par une expérience d'interférométrie. Pour cela une image intermédiaire (figure de gauche ci-contre) a été réalisée sur un système de 2 fentes d'Young pour obtenir des franges d'interférences sur une caméra (figure de droite ci-contre). L'évolution de la visibilité des franges avec l'écartement des fentes a montré que cette molécule plasmonique s'étendait sur plusieurs microns. Ce résultat montre qu'il est envisageable de manipuler ce nouveau système sur des distances macroscopiques.

Pour de nombreuses applications en photonique, le transport cohérent des signaux est nécessaire. Dans ce cadre, nous étudions l’extension de la cohérence spatiale de plasmons générés par un laser (configuration de Kretshmann) ou par la désexcitation d'une molécule fluorescente. La cohérence spatiale des plasmons peut être étudiée en combinant un système d'imagerie et interférométrique. Lorsqu’un plasmon est généré par un point source sur une surface plane, nous avons montré que le degré de cohérence est de 1 sur toute sa propagation. (lien vers l'article)

D'autre part, en étudiant la désexcitation de fluorescence d’un tapis de molécules sur une surface plasmonique,  nous avons montré que l’image observé en chaque point provient de la contribution de l’ensemble des émetteurs défini dans un cercle dont le rayon est déterminé par la longueur de propagation du plasmon. Enfin, une analyse de l'émission résolue angulairement a montré que 70% de l’image obtenue provient des modes de plasmons. (lien vers l'article)