Väitös teknillisen fysiikan alalta, DI Jani Taskinen

Väitöskirjan nimi: Light-matter interactions and topological effects in ensembles of plasmonic nanoparticles

Tohtoriopiskelija: Jani Taskinen
Vastaväittäjä: apulaisprofessori Jan Klärs, University of Twente, Alankomaat
Kustos: professori Päivi Törmä, Aalto-yliopiston Perustieteiden korkeakoulu, teknillisen fysiikan laitos

Valo on aina ollut yksi ihmiskunnan tärkeimmistä työkaluista ja käyttämämme arjen laitteet, kuten kännykät ja älykellot, edellyttävät yhä pienempiä ja pienempiä optisia komponentteja. Ratkaisuja näihin vaatimuksiin voidaan löytää plasmoniikan tutkimusalalta, joka tutkii miten valo vuorovaikuttaa metallipintojen kanssa. Modernien nanomittakaavan valmistusmetodien avulla on mahdollista luoda erittäin pieniä metallirakenteita, joiden avulla valoa voidaan vangita sen aallonpituutta pienempiin tilavuuksiin. Optiset moodit tällaisissa plasmonisissa laitteissa vuorovaikuttavat erittäin tehokkaasti lähellä olevien hiukkasten kanssa ja yhdistämällä niitä valoa tuottavien molekyylien kanssa voidaan luoda esimerkiksi nanomittakaavan lasereita.

Tässä väitöskirjassa kehitettyjä kaksiulotteisia metallirakenteita käytettiin tutkimaan topologista fotoniikkaa, joka on melko uusi tieteenala nano-optiikan saralla. Topologinen fotoniikka tutkii optisia ominaisuuksia, jotka pysyvät muuttumattomina vaikka niiden ympäristössä tapahtuisi pieniä muutoksia. Tämä on erittäin hyödyllistä esimerkiksi optisten laitteiden epätäydellisyyksien torjunnassa. Tässä työssä keskityttiin erityisesti valon polarisaatiotilan topologisiin ominaisuuksiin, joiden avulla voi olla mahdollista välittää ylimääräistä tietoa valon mukana.

Plasmonisia nanorakenteita käytettiin luomaan optisia moodeja ja valonlähteitä, joilla oli topologisia ominaisuuksia. Verrattuna tyypillisiin optisiin komponentteihin, jotka tehdään yleensä eristävistä materiaaleista, plasmonisissa laitteissa tapahtuu paljon energiahäviöitä johtuen pienten metallirakenteiden lämpenemisestä valon vaikutuksesta. Osoitimme näiden häviöiden aiheuttavan optisia piirteitä, jotka ovat yhteydessä topologisiin ominaisuuksiin. Tämän lisäksi väitöskirjassa kehitettiin uudentyyppisiä nanorakennekuvioita, joiden avulla saatiin tuotettua topologista laservaloa, ja juuri nämä rakenteet ovat erittäin mielenkiintoisia esimerkiksi tiedonsiirron sovelluksissa. Väitöskirjan tulosten perusteella ymmärrämme plasmonisten ilmiöiden ominaisuuksia entistä paremmin, ja ne osoittavat myös miksi topologia täytyy tulevaisuudessa ottaa huomioon nano-optiikan laitteiden suunnittelussa.

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 10 päivää ennen väitöstä): https://aaltodoc.aalto.fi/doc_public/eonly/riiputus/ 

Perustieteiden korkeakoulun väitöskirjat: https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/52