Väitös, teknillinen fysiikka, M.Sc. Sagar Sehrawat

Väitöskirjan nimi: Scattering and near-field enhancement of light by plasmonic particles at higher-order multipole resonances

Väittelijä: Sagar Sehrawat 
Vastaväittäjä: professori Konstantin Bliokh, Donostia International Physics Center (DIPC), San Sebastián, Spain 
Kustos: professori Päivi Törmä, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu 

Tämä tutkimus käsittelee valon ja metallisten nanopartikkelien, kuten hopea- ja kultadimeerien, -trimeerien sekä niiden jaksollisten rakenteiden välistä vuorovaikutusta nanoskaalassa. Perinteisesti valon ja aineen vuorovaikutusta kuvataan makroskooppisen heijastuksen ja taittumisen avulla, mutta nanorakenteiden suunnittelu mahdollistaa uudenlaisia optisia ominaisuuksia. Työssä tutkitaan sironnan ja lähikentän ominaisuuksia eri hiukkaskokoluokissa hyödyntäen klassisia ja sirontavirtaan perustuvia moninapainen laajennus. Näin pystytään kartoittamaan monimutkaisia virtavärähtelyjä tavanomaisen dipoliapproksimaation ulkopuolella.Tutkimus on erittäin ajankohtainen nanofotoniikan, metamateriaalien ja metapintojen kehityksessä. Työ tuo uutta tietoa osoittamalla klassisen moninapalaajennuksen rajoitteet kaukokentän säteilykuvioiden tarkastelussa. Sirontavirtaan perustuva tekniikka mahdollistaa varaus- ja virtaviritysten yksityiskohtaisen analyysin tarjoten kvantitatiivista ymmärrystä hiukkasten sisäisestä dynamiikasta ja paikalliskentän vaikutuksista. Tulokset osoittavat, että pienet hiukkaset noudattavat sähköistä dipoliresonanssia, kun taas suuremmilla hiukkasilla esiintyy selkeitä korkeamman asteen moodeja, kuten kvadrupoleja ja oktupoleja. Lähekkäin sijaitsevien hiukkasten välillä esiintyy moninapaista hybridisaatiota. Nämä korkeamman asteen moodit, joita on perinteisesti pidetty merkityksettöminä niiden heikon kaukokenttäsäteilyn vuoksi, vahvistavat merkittävästi nanopartikkelien lähikenttää. Työn keskeinen havainto on, että jaksollisissa rakenteissa hilan jakson lyhentäminen kasvattaa oktupoliavusteisten ”kuumien pisteiden” (hotspots) intensiteettiä samalla, kun perinteinen dipoliviritys vaimenee. Tämä tarjoaa uuden lähestymistavan plasmonisten sensorien ja lähikenttävahvistukseen perustuvien laitteiden kehitykseen. Tuloksia voidaan hyödyntää metapintojen, spektraalisuodattimien sekä SERS-pohjaisten molekyyliluotainten suunnittelussa. Korkeamman asteen moninavat tarjoavat alihyödynnetyn alustan tiheille plasmonisille rakenteille, ja kehitetty virtaan perustuva laajennus toimii tehokkaana suunnittelu- ja karakterisointityökaluna.

Avainsanat: moninapainen laajeneminen, sirontavirran tiheys, lähikentän vahvistus, moninapainen hybridisaatio, pintaplasmoni, pintahilaresonanssi, yleistetty sirontavirran moninapaisetet, optiset metamateriaalit ja metapinta

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä): Aalto-yliopiston riiputussivu.

Yhteystiedot: 
sagar.sehrawat@aalto.fi
https://www.aalto.fi/en/department-of-applied-physics/optics-and-photonics
https://www.linkedin.com/in/sagar-sehrawat-a7bb68352/