Surface Electromagnetic Waves Thermally Excited: Radiative Heat Transfer, Coherence Properties and Casimir Forces Revisited in the Near Field

We review in this article the influence of surface waves on the thermally excited electromagnetic field. We study in particular the field emitted at subwalength distances of material surfaces. After reviewing the main properties of surface waves, we introduce the fluctuation-dissipation theorem that allows to model the fluctuating electromagnetic fields. We then analyse the contribution of these waves in a variety of phenomena. They give a leading contribution to the density of electromagnetic states, they produce both temporal coherence and spatial coherence in the near field of planar thermal sources. They can be used to modify radiative properties of surfaces and to design partially spatially coherent sources. Finally, we discuss the role of surface waves in the radiative heat transfer and the theory of dispersion forces at the subwavelength scale.Comment: Redig\'{e} \`{a} la fin de l'ann\'{e}e 2004. Accept\'{e} dans Surface Science Report

Altimetry for the future: Building on 25 years of progress

In 2018 we celebrated 25 years of development of radar altimetry, and the progress achieved by this methodology in the fields of global and coastal oceanography, hydrology, geodesy and cryospheric sciences. Many symbolic major events have celebrated these developments, e.g., in Venice, Italy, the 15th (2006) and 20th (2012) years of progress and more recently, in 2018, in Ponta Delgada, Portugal, 25 Years of Progress in Radar Altimetry. On this latter occasion it was decided to collect contributions of scientists, engineers and managers involved in the worldwide altimetry community to depict the state of altimetry and propose recommendations for the altimetry of the future. This paper summarizes contributions and recommendations that were collected and provides guidance for future mission design, research activities, and sustainable operational radar altimetry data exploitation. Recommendations provided are fundamental for optimizing further scientific and operational advances of oceanographic observations by altimetry, including requirements for spatial and temporal resolution of altimetric measurements, their accuracy and continuity. There are also new challenges and new openings mentioned in the paper that are particularly crucial for observations at higher latitudes, for coastal oceanography, for cryospheric studies and for hydrology. The paper starts with a general introduction followed by a section on Earth System Science including Ocean Dynamics, Sea Level, the Coastal Ocean, Hydrology, the Cryosphere and Polar Oceans and the ‘‘Green” Ocean, extending the frontier from biogeochemistry to marine ecology. Applications are described in a subsequent section, which covers Operational Oceanography, Weather, Hurricane Wave and Wind Forecasting, Climate projection. Instruments’ development and satellite missions’ evolutions are described in a fourth section. A fifth section covers the key observations that altimeters provide and their potential complements, from other Earth observation measurements to in situ data. Section 6 identifies the data and methods and provides some accuracy and resolution requirements for the wet tropospheric correction, the orbit and other geodetic requirements, the Mean Sea Surface, Geoid and Mean Dynamic Topography, Calibration and Validation, data accuracy, data access and handling (including the DUACS system). Section 7 brings a transversal view on scales, integration, artificial intelligence, and capacity building (education and training). Section 8 reviews the programmatic issues followed by a conclusion

Altimetry for the future: building on 25 years of progress

In 2018 we celebrated 25 years of development of radar altimetry, and the progress achieved by this methodology in the fields of global and coastal oceanography, hydrology, geodesy and cryospheric sciences. Many symbolic major events have celebrated these developments, e.g., in Venice, Italy, the 15th (2006) and 20th (2012) years of progress and more recently, in 2018, in Ponta Delgada, Portugal, 25 Years of Progress in Radar Altimetry. On this latter occasion it was decided to collect contributions of scientists, engineers and managers involved in the worldwide altimetry community to depict the state of altimetry and propose recommendations for the altimetry of the future. This paper summarizes contributions and recommendations that were collected and provides guidance for future mission design, research activities, and sustainable operational radar altimetry data exploitation. Recommendations provided are fundamental for optimizing further scientific and operational advances of oceanographic observations by altimetry, including requirements for spatial and temporal resolution of altimetric measurements, their accuracy and continuity. There are also new challenges and new openings mentioned in the paper that are particularly crucial for observations at higher latitudes, for coastal oceanography, for cryospheric studies and for hydrology. The paper starts with a general introduction followed by a section on Earth System Science including Ocean Dynamics, Sea Level, the Coastal Ocean, Hydrology, the Cryosphere and Polar Oceans and the “Green” Ocean, extending the frontier from biogeochemistry to marine ecology. Applications are described in a subsequent section, which covers Operational Oceanography, Weather, Hurricane Wave and Wind Forecasting, Climate projection. Instruments’ development and satellite missions’ evolutions are described in a fourth section. A fifth section covers the key observations that altimeters provide and their potential complements, from other Earth observation measurements to in situ data. Section 6 identifies the data and methods and provides some accuracy and resolution requirements for the wet tropospheric correction, the orbit and other geodetic requirements, the Mean Sea Surface, Geoid and Mean Dynamic Topography, Calibration and Validation, data accuracy, data access and handling (including the DUACS system). Section 7 brings a transversal view on scales, integration, artificial intelligence, and capacity building (education and training). Section 8 reviews the programmatic issues followed by a conclusion

Modélisation du rayonnement thermique par une approche électromagnétique. Rôle des ondes de surface dans le transfert d'énergie aux courtes échelles et dans les forces de Casimir

Ma thèse a été consacrée à la modélisation du rayonnement thermique, abordée d'un point de vue électromagnétique. Plus précisément, elle s'applique à l'étude de l'excitation thermique d'ondes de surface (plasmon-polaritons ou phonon-polaritons) susceptibles d'exister pour certains matériaux métalliques ou diélectriques. L'originalité de ce travail a consisté à évaluer la contribution de ces ondes de surface à l'émission thermique de matériaux micro- ou nanostructurés (réseaux) ; aux transferts d'énergie par rayonnement dans des systèmes de taille micro- ou nanométrique ; aux forces de Casimir dans la limite électrostatique. Au cours de cette étude, nous avons détaillé le formalisme qui nous a permis d'aborder le rayonnement thermique d'un point de vue électromagnétique. Nous avons pu donner une expression exacte et explicite de la densité d'énergie électromagnétique (due au rayonnement thermique) au-dessus d'une interface plane séparant un milieu quelconque du vide, en explicitant notamment la contribution des ondes évanescentes. Nous avons tenté de définir une quantité qui serait l'analogue, pour les ondes évanescentes, de l'émissivité monochromatique directionnelle. L'expression de la densité d'énergie obtenue montre qu'en champ proche, il est théoriquement possible de déterminer localement la constante diélectrique d'un substrat en mesurant le champ d'émission thermique qu'il "rayonne" en champ proche. Par ailleurs, nous montrons qu'un microscope optique en champ proche, détectant le champ d'émission thermique d'un substrat est l'analogue optique d'un STM (Scanning Tunneling Microscope) pour les électrons. Nous pourrions ainsi mesurer la densité d'états locale du champ électromagnétique. Utilisant le phénomène d'onde de surface dans l'infrarouge pour le SiC, nous avons été capable de dimensionner une source thermique présentant une certaine cohérence spatiale : dans une direction fixée, elle émet préférentiellement à une longueur d'onde et pour une longueur d'onde fixée, elle émet à l'intérieur d'un lobe très étroit angulairement. Les mesures expérimentales confirment avec un excellent accord cette prédiction théorique. Ainsi, la source que nous avons réalisée avec ce réseau de SiC est le premier exemple expérimental de source thermique patiellement cohérente spatialement. Par ailleurs, cette source a un spectre d'émission qui dépend de l'angle d'émission, c'est l'"effet Wolf". Les développements actuels au laboratoire concernent la mise en œuvre expérimentale d'une expérience de mesure d'émissivité infrarouge avec un spectromètre à transformée de Fourier. Nous abordons ensuite le problème du transfert radiatif entre deux milieux semi-infinis séparés par une faible épaisseur de vide, de 10 nm à plusieurs dizaines de microns et montrons que l'approche radiométrique du rayonnement thermique n'est pas valable lorsque les échelles caractéristiques deviennent du même ordre de grandeur que la longueur d'onde du rayonnement. Nous avons montré alors que les ondes de surface (dont nous ne pouvons rendre compte qu'avec une approche électromagnétique), et plus particulièrement les phonon-polaritons de surface dans le cas du SiC, jouent un rôle fondamental dans le transfert d'énergie électromagnétique. Premièrement, celui-ci est (\it quasi) monochromatique et présente un pic très prononcé à la fréquence de résonance du polariton de surface qui donne la contribution majeure au transfert. Une expression asymptotique en champ proche du coefficient de transfert radiatif en fonction de la fréquence est également donnée. Deuxièment, le transfert est amplifié de plusieurs ordres de grandeur à courte distance, l'amplification variant comme l'inverse du carré de la distance séparant les deux milieux. Pour le cas de deux milieux de SiC séparés d'une distance de 10 nm, la contribution du rayonnement à l'échange d'énergie est du même ordre de grandeur que celle de la conduction (pour un gaz dans les conditions normales). Il est donc essentiel de ne pas négliger cette contribution du rayonnement dans ce type de systèmes, comme cela est fait couramment. Une application envisagée de ce transfert radiatif concerne l'effet thermo-photovoltaïque amplifié. Dans une configuration où nous avons considéré une particule sub-longueur d'onde (approximation dipolaire) située au-dessus d'une interface plane, nous avons mis en évidence le même type d'effets, lorsque la particule et la surface supportent des ondes de surface. La particule absorbe ainsi de manière importante autour de deux fréquences bien précises, correspondant aux fréquences de résonance des ondes de surface. La puissance absorbée par la particule augmente de plusieurs ordres de grandeur en champ proche, variant comme l'inverse de la puissance troisième de la distance entre la particule et le substrat. De la même manière, nous avons réalisé une cartographie de la distribution spatiale de la puissance absorbée par unité de volume à l'intérieur du substrat lorsque celui-ci est éclairé par le champ d'émission thermique de la particule. Nous avons montré que dans le cas d'une particule de SiC au-dessus d'un échantillon de SiC, la densité de puissance pouvait atteindre 100 MW/m3. De plus, la puissance déposée est confinée sur une zone dont la taille typique est de l'ordre de la distance entre la particule et le substrat. Une application de ce travail se situe dans le stockage haute-densité sur des matériaux magnétiques ou à transition de phase. Dans le même thème, nous nous sommes intéressés au cas de nanoparticules métalliques enfouies dans une matrice diélectrique. Le but est d'expliquer certains résultats expérimentaux obtenus lorsque ces nanoparticules sont illuminées par des impulsions laser femtosecondes. Le problème est alors d'étudier la dynamique de relaxation électronique en régime basse fluence (variation de la température électronique faible) et haute fluence (variation importante) et notamment l'influence de la taille de la particule. Lors de cette 'étude, nous avons montré que l'introduction phénoménologique d'un mécanisme supplémentaire d'échange d'énergie entre les électrons et la matrice diélectrique permet de rendre compte de comportements observés expérimentalement. Le premier concerne la dépendance du temps de relaxation électronique en fonction de la taille de la particule lorsque nous sommes dans un régime où la température électronique n'est pas trop élevée ( 400 K), correspondant à des expériences où les nanoparticules sont illuminées par des impulsions de forte fluence. Dans ce régime, la prise en compte du mécanisme de surface conduit à deux conclusions : la première est que l'extrapolation des valeurs calculées pour de fortes fluences au régime des faibles fluences montre que le temps de relaxation est relativement indépendant de la taille de la particule ; la seconde est que la variation du temps de relaxation est fortement non linéaire en fonction de la fluence incidente. Enfin, nous avons étudié l'"effet Casimir" en choisissant une méthode de calcul qui nous permet une interprétation physique aisée des résultats. Nous avons alors été capable de tracer le "spectre" de la force de Casimir entre deux milieux semi-infinis de SiC à température nulle. Nous avons montré qu'en champ proche, la contribution majeure (pics dans le spectre) était donnée par les polaritons de surface, notamment celui qui existe dans l'ultraviolet pour le SiC. De plus, la "relation de dispersion" de la force de Casimir montre que cette contribution des ondes de surface couplées peut être elle-même divisée en deux : une contribution due à ce que nous avons appelé des modes "liants", qui sont attractifs et une contribution due à des modes "anti-liants" qui sont répulsifs. Nous avons identifié, pour les ondes évanescentes, dans la formule analytique de la force les termes correspondant à chacun de ces modes

Modélisation du rayonnement thermique par une approche électromagnétique (rôle des ondes de surface dans le transfert d'énergie aux courtes échelles et dans les forces de Casimir)

La modélisation du rayonnement thermique peut être introduite, dans le cadre de l'électromagnétisme, en faisant deux hypothèses supplémentaires: la localité de la constante diélectrique et l'équilibre thermodynamique local. Cette approche est nécessaire pour des systèmes de taille sub-longueur d'onde et tient compte du phénomène d'ondes de surface pouvant exister pour certains matériaux. Nous étudions, tout d'abord, la densité d'énergie électromagnétique au-dessus d'une interface plane. Pour un matériau supportant des ondes de surface, cette densité d'énergie en champ proche est quasi monochromatique à la fréquence de résonance du polariton et augmentée de plusieurs ordres de grandeur par rapport à sa valeur en champ lointain. Nous utilisons ces propriétés pour dimensionner une expérience de spectroscopie locale d'émission thermique. Nous présentons également une source de rayonnement thermique dont l'émission est cohérente spatialement et temporellement. Des mesures expérimentales réalisées sur un réseau de carbure de silicium, en excellent accord avec la théorie, montrent que cette source est le premier exemple de source thermique présentant l'"effet Wolf". Ensuite, nous étudions les transferts radiatifs aux courtes échelles dans deux types de géométrie: plan/plan et plan/sphère. Pour divers matériaux supportant des ondes de surface, le transfert radiatif en champ proche est quasi monochromatique et augmenté de plusieurs ordres de grandeur par rapport à sa valeur radiométrique, pouvant atteindre le niveau de la conduction. Une application au chauffage localisé est alors envisagée. La dynamique de la relaxation électronique dans des nanoparticules métalliques est également étudiée. Enfin, nous abordons les forces de Casimir entre deux plans. Dans la limite électrostatique, nous montrons que la force est entièrement due à l'interaction de polaritons couplés, certains modes "liants" conduisant à une force attractive et d'autres "anti-liants" à une force répulsive.Modelling of thermal radiation can be introduced in the framework of electromagnetism, doing two additional hypotheses: locality of the dielectric constant and local thermal equilibrium. This approach must be used to deal with subwavelength systems and takes into account the phenomenon of surface waves, supported by Barrie media. In a first part, we study the electromagnetic energy density above a plane interface. For a material supporting resonant surface waves, this energy density in the near field is quasi-monochromatic and enhanced by several orders of magnitude compared to its far-field value. We used these properties to design a near-filed experimental setup for local spectroscopy of thermal emission. We present as well a source of thermal radiation whose emission is spatially and temporally coherent, what is a very unexpected behaviour for a thermal source. Experimental measurements done with a lamellar grating of silicon carbide, in excellent agreement with theoretical predictions, show that this source is the first example of thermal source exhibiting the "Wolf's effect". Afterwards, we study in detail radiative transfer at short length scales for two kinds of geometry: two planes separated by a small vacuum gap and a particle in vacuum above a plane interface. For differents materials supporting surface waves, radiative transfer in the near field is quasi-monochromatic and enhanced by several orders of magnitude compared to its radiometric value, reaching even the same level as transfer by ballistic conduction. An application to local heating is then considered. Electron relaxation dynamics in metallic nanoparticles is also studied. Finally, we deal with the problem of Casimir forces between two plates at zero temperature. In the electrostatic limit, we show that these forces are completely due to the interaction between coupled polaritons, some "bounding" modes leading to an attractive force and some other "anti-bounding" modes leading to a repulsive force.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Enhanced Radiative Heat Transport at Nanometric Distances

International audienc

Comment on “Radiative transfer over small distances from a heated metal”

International audienceWe show that there is no contradiction between the results presented by Pan [Opt. Lett. 25, 369 (2000)] and the 1L 2 dependence of the radiative energy f lux between two half-spaces separated by a small vacuum gap of width L obtained by Polder and Van Hove [Phys. Rev. B 4, 3303 (1971)] and by Loomis and Maris [Phys. Rev. B 50, 18517 (1994)]

Modification of the thermal emission spectrum at short distances

International audienc