La recherche de nouveaux matériaux a permis de nouveaux développements au cours de ces dernières décennies. Ce sont entre autres les diélectriques artificiels ou encore les métamatériaux. Cependant, si ces matériaux restent passifs, malgré tous les développements possibles, les performances des antennes, ou autres structures électromagnétiques qui découlent d’eux seront toujours confrontés aux mêmes limitations fondamentales. En intégrant des circuits actifs dans ces matériaux, par exemple des résistances négatives, des capacités négatives et des inductances négatives, il est possible de dépasser ces limitations ainsi les propriétés synthétisables et les applications d’ingénierie pourront être significativement élargies. En effet, cela permettrait de créer des matériaux et des dispositifs dont les propriétés ne seront pas possibles autrement et surpasseraient celles des matériaux existant dans la nature. Cette thèse a été l’occasion dans un premier temps d’utiliser les circuits non-Foster qui sont des circuits à rétroaction actif, pour l’adaptation d’une antenne électriquement petite à basses fréquence. Ceci a permis de mettre en évidence ses avantages par rapport à une adaptation passive plus conventionnelle.Ensuite, des capacités négatives ainsi que des inductances négatives et positives ont été conçues. Leur fonctionnement totalement différent des composants passifs a été mis en exergue. Ce qui nous a conduit à les appliquer sur des structures périodiques. Cela a donné des résultats intéressants comme la propagation supraluminique sur une ligne de transmission des ondes. Et en les appliquant à la cellule unitaire d’une surface de métamatériaux qui est aussi une structure périodique, sa taille est réduite pour une plus grande compacité des antennes à cavités conçues pour les basses fréquences où la longueur d’onde est très grande. / The search of new materials has enabled new developments in recent decades. Among these are artificial or dielectric metamaterials. However, if these materials are passive, despite all the possible developments, the antennas performances or other structures resulting from them will still face the same fundamental limitations. By adding active circuits in these materials, such as negative resistors, negatives capacitors and negative inductors, it is possible to overcome these limitations and the synthesized properties and engineering applications can be significantly expanded. Indeed, this would create materials and devices with properties which can allow us to obtain behavior nonexistent in nature. This open the way to new applications. In this thesis, we explore the opportunity at first to use non-Foster circuits that are active feedback circuit, in the matching network of an electrically small antenna for low frequency operation. This helped to highlight its advantages over more conventional passive matching. Then, negative capacitors and negative and positive inductors were fabricated. Their totally different behaviors with passive components were also highlighted. This led us to apply them on periodic structures. Interesting results were obtained as superluminal wave propagation on a transmission line. And by applying to the unit cell of a metamaterial surface which is also a periodic structure, the size is reduced to a more compact cavity antennas designed for low frequency where the wavelength is very large.

Plazmonika, tedy vědní obor zabývající se interakcí světla s kovovými materiály, nabízí ve spojení s nanotechnologiemi nezvyklé možnosti, jak světlo ovládat a využívat. Výsledkem tohoto spojení může být například zaostřování světla pod difrakční limit, zesilování emise nebo absorbce kvantových zářičů, či extrémně citlivá detekce molekul. Tato práce se zabývá zejména možnostmi využití plazmoniky pro vývoj plošných optických prvků, tzv. metapovrchů, a pro fotokatalytické aplikace založené na plazmonicky generovaných elektronech s vysokou energií, tzv. horkých elektronech. Nejprve jsou vysvětleny teoretické základy plazmoniky a je poskytnut přehled jejích nejvýznamnějších aplikací. Poté jsou představeny tři studie zabývající se využitím plazmonických nanostruktur pro ovládání fáze a polarizace světla, pro vytváření dynamicky laditelných metapovrchů, a pro foto-elektrochemii s horkými elektrony. Společným prvkem těchto studií je pak používání pokročilých, resp. v rámci těchto oblastí netradičních, materiálů, jako např. oxidu vanadičitého nebo dichalkogenidů přechodných kovů.

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Various nanostructured materials display unique and interesting optical properties. Specific nanoscale objects discussed in an experimental perspective in this dissertation include optical metamaterials, surface plasmon sensors, and two-dimensional materials. These nanoscale objects were fabricated, investigated optically, and their applications are assessed. First, one-dimensional magnetic gratings were studied, followed by their two-dimensional analog, the so-called "fishnet." Both were fabricated, characterized, and their properties, such as waveguiding modes, are examined. Interestingly, these devices can exhibit optical magnetism and even negative refraction; however, their general characterization at oblique incidence is challenging due to diffraction. Here, a new method of optical characterization of metamaterials which takes into account diffraction is presented. Next, surface plasmon resonance (SPR) was experimentally used in two schemes, for the first time, to determine the transition layer characteristics between a metal and dielectric. The physics of interfaces, namely the singularity of electric permittivity and how it can be electrically shifted, becomes clearer owing to the extreme sensitivity of SPR detection mechanisms. Finally, ultra-thin two-dimensional semiconducting materials had their radiative lifetime analyzed. Their lifetimes are tuned both by number of atomic layers and applied voltage biasing across the surface, and the changes in lifetime are suspected to be due to quenching or enhancement of non-radiative process rates.