Tesis doctoral de Tim Hugo Taminiau
La interacción entre luz y materia es fundamental tanto en ciencia básica como en tecnología aplicada. En el corazón de esta interacción están la emisión y absorción de fotones en transiciones electrónicas de, por ejemplo, átomos, moléculas o semiconductores. Tales emisores cuánticos son más pequeños que la longitud de onda de la radiación con la que interaccionan. La interacción es entonces lenta y omnidireccional, lo que limita los procesos de absorción y emisión. en radio frecuencias este mismo problema fue resuelto tiempo atrás. Los circuitos eléctricos radian poco por ser más pequeños que las ondas de radio. La comunicación inalámbrica es posible solo si los circuitos están concetados a antenas con dimensiones del orden de la longitud de onda. Las antenas son diseñadas para convertir efectivamente señales eléctricas en radiación y viceversa. Este principio se extiende a la óptica.La idea central de esta tesis es que la interacción entre la luz y un emisor cuántico incrementa cuando éste es acoplado, en el campo cercano, a los modos plasmónicos resonantes de una nano-partícula metálica. La partícula actúa entonces como una antena óptica. Es posible entonces aumentar las tasas de excitación y medición, y controlar la dependencia angular, espectral y en polarización. El capítulo 1 de ésta tesis explica estos conceptos e introduce las antenas ópticas para emisores individiuales. Para implementar experimentalmente una antena óptica es necesario acoplar en campo cercano un emisor individual a una antena resonante. Como las antenas ópticas monopolares fueron fabricadas sobres ondas de barrido, podemos ubicarlas con precisión cerca a una molécula fluorescente. Es así como escaneando un emisor cuántico singular cerca a la antena es posible mapear los cambios en la excitación y la emisión. El capítulo 2 presenta los resultados relativos a la parte de la interacción correspondiente a la excitación. El campo excitado en la antena está altamente confinado (25nm), el emisor solo interactua con los modos de la antena dentro de esta pequeña región. Las resonancias, probadas directamente en el campo cercano, muestran que en efecto la antena es el análogo óptico a una antena monopolar. Los experimentos en el capítulo 3 muestran como la antena controla la emisión. Cuando el emisor se ubica en la psición correcta y la antena está en resonancia, la emisión del sistema acopaldo es determinada por el modo de la antena, independientemente de la dirección del emisor. El capítulo 4 explora esta característica. Teórica y experimentalmente, hemos demostrado la alta direccionalidad de la radiación de un emisor individual cuando es acoplado a una antena yagi uda de múltiples elementos. Por reciprocidad, esta direccionalidad incrementa tanto el campo de excitación como la eficiencia de acoplamiento. en una forma intuitiva las antenas ópticas se pueden entender como cavidades para los plasmones-polaritones de sueprficie. Tratando las antenas como cavidades, el capítulo 5 presenta una descripción de la interacción entre os emisoares dipollares y la radiación mediada por los modos de las nano-antenas. Los resultados muestran como las propiedades de estos modos evolucionan desde las antenas macroscópicas perfectamente conductoras hasta las nano-antenas plasmónicas. Los resultados también explican lasdiferencias entre las antenas ópticas y las convencionales. los resultados presentados en esta tesis prueban que las antenas ópticas son una nueva alternativa para acoplar luz a emisores cuánticos individuales. Las propoiedades de absorción y emisión del emisor pueden ser controladas diseñanado adecuadamente las antenas. Las antenas ópticas permiten amplificar y controlar la interacción entre radiación y materia en la escala nanométrica, convirtiéndolas en herramientas importantes en campos muy diversos. Por ejemplo en microscopia óptica de campo cercano, en información cuántica, en óptica no lineal, en espectroscopia y en dispositivos fotovoltaicos.
Datos académicos de la tesis doctoral «Optical antennas for single emitters«
- Título de la tesis: Optical antennas for single emitters
- Autor: Tim Hugo Taminiau
- Universidad: Politécnica de catalunya
- Fecha de lectura de la tesis: 21/11/2011
Dirección y tribunal
- Director de la tesis
- Niek F. Van Hulst
- Tribunal
- Presidente del tribunal: lukas Novotny
- rashid Zia (vocal)
- (vocal)
- (vocal)