Fényemisszió plazmonikus erősítése

	PDF (disszertáció) Download (3MB)
	PDF (tézisfüzet) Download (1MB)

Magyar nyelvű absztrakt

A nanoszkopikus fényforrásokat számos az alap- és alkalmazott kutatási területén alkalmaznak, például a nanofotonikában, vagy a kvantuminformatika és az orvosi diagnosztika területén. A gyémánt színcentrumok fotostabil egyfotonos források, amelyek optikai úton modulálható és kiolvasható, szobahőmérsékleten is hosszú spin koherencia idővel rendelkeznek. A nitrogén (NV) és a szilícium (SiV) vakancia színcentrumok a gyémánt színcentrumok széles körben vizsgált képviselői. Jó alaptulajdonságokkal rendelkeznek, azonban hatékony kvantuminformatikai alkalmazásukhoz növelni kell fényességüket és polarizáció kontrasztjukat, valamint csökkenteni kell élettartamukat is. Az egyfotonos források emissziós tulajdonságait befolyásolja a környezetük. A lokalizált felületi plazmonok olyan elektronplazma-oszcillációk, amelyek a működési hullámhossznál kisebb vagy azzal összemérhető nanorészecskéken rezonánsan gerjeszthetők. A nanofotonikai környezet módosítható egy megfelelően kialakított egyedi plazmonikus nanorezonátornak az emitter közelében történő elhelyezésével. A rezonanciafrekvencia és hatásai, beleértve a közeltér erősítését, az élettartam Purcell-jelenségen keresztüli csökkentését és a kvantumhatásfok növelését a sugárzási lecsengési ráta hozzájárulásának módosításával, a nanorezonátor méretétől, alakjától és anyagi tulajdonságaitól is függ. A doktori értekezésben módosítottam és továbbfejlesztettem a végeselemes módszerre épülő numerikus környezetet az optikai válasz, azon belül is egy tetszőleges egyedi nanorezonátorhoz csatolt NV vagy SiV színcentrum gerjesztésének és spontán (nem kooperatív) emisszió erősítésének meghatározására. A módszer egy robusztus optimalizáló algoritmussal, a GLOBAL-lal integrálva alkalmas a színcentrumok fluoreszcencia-erősítésének maximalizálására a geometria kívánt feltételek melletti hangolásával, a gerjesztési és emissziós folyamatok igény szerinti egyidejű erősítésével. A saját fejlesztésű numerikus módszert nanorúd és maghéj monomer vagy dimerhez csatolt színcentrum rendszerek geometriájának és konfigurációjának optimalizálására és fluoreszcenciájuk maximalizálására alkalmaztuk. Az optimalizált rendszerek optikai válaszát részletes elemzésnek vetettük alá a Purcell-faktor, a kvantumhatásfok, a radiatív erősítés spektrumok, valamint a töltés-, az elektromágneses közel- és a távoltér eloszlásainak meghatározásával, hogy azonosítani és elemezni tudjuk a hozzájáruló plazmonikus módusok tulajdonságait.

Absztrakt (kivonat) idegen nyelven

Light emission from nanoscopic sources is used in many fields of fundamental and applied research, such as nanophotonics, quantum information technology and medical diagnostics. Diamond color centers are photostable single-photon sources with optically tailorable and readable spin of long coherence time at room temperature. Nitrogen (NV) and silicon (SiV) vacancy are widely studied representatives of color centers. For effective quantum information applications, their luminosity and polarization contrast need to be increased and their lifetime need to be reduced. The emission properties of single-photon sources are affected by their environment. Localized surface plasmons are electron plasma oscillations, which can be resonantly excited on a nanoparticles smaller than or comparable to the operation wavelength. The nanophotonic environment can be modified by placing a properly designed individual plasmonic nanoresonator near the emitter. The resonance frequency and impact including the intense near-field enhancement, lifetime reduction via Purcell phenomenon and quantum efficiency increase by radiative decay fraction modification depend on the size, shape, and material properties of the nanoresonator. In the PhD thesis, I have modified and improved the numerical environment based on a finite element method to determine the optical response, namely the enhancement of excitation and spontaneous (non-cooperative) emission of a NV or SiV color center coupled to an arbitrary individual nanoresonator. Integrated with a robust optimization algorithm, GLOBAL, the method is suitable for maximizing the fluorescence enhancement of color centers through geometry tuning under desired conditions, by simultaneously improving the excitation and emission processes in demand. The in-house developed numerical method has been applied to optimize the geometry and configuration of nanorod and core-shell monomer or dimer coupled color center systems and to maximize their fluorescence. The optical response of the optimized systems has been a subject of a detailed analysis by determining the Purcell factor, quantum efficiency, radiative enhancement spectra, as well as the charge, near-field and far-field distributions to identify and analyze the properties of the contributing plasmonic modes.

Tétel nézet