Väitös teknillisen fysiikan alalta, DI Rebecca Heilmann

Väitöskirjan nimi: Light-matter interaction in plasmonic and dielectric nanoparticle arrays

Tohtoriopiskelija: Rebecca Heilmann
Vastaväittäjä: Prof. William L. Barnes, University of Exeter, Englanti
Kustos: Prof. Päivi Törmä, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu, teknillisen fysiikan laitos

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

Plasmoniikka on tieteenala, joka tutkii pienten hiukkasten vuorovaikutuksia valon kanssa. Nämä plasmoniset nanohiukkaset, jotka ovat yleensä metallisia, toimivat kuin antenneina valolle, koska metallin elektronit ovat vuorovaikutuksessa fotonien kanssa. Fotonit kytkeytyvät metallin elektroneihin ja valo voi tiivistyä erittäin pieneen tilaan, joka on pienempi kuin aallonpituus tällöin. Valon energia on lokalisoitunut nanohiukkasten ympärille. Nanohiukkaset voidaan valmistaa myös dielektrisistä aineista, joilla voidaan saavuttaa samanlaisia ilmiöitä kuin metalleilla. 

Tässä väitöskirjassa tutkitaan nanohiukkasia, jotka on järjestetty hiloihin. Näillä hiloilla on optisia tiloja, joita kutsutaan hilaresonansseiksi. Jos hilat yhdistetään orgaanisten värimolekyylien kanssa, molekyylien emittoimat fotonit voivat kytkeytyä hilaresonansseihin. Dielektristen nanohiukkashilaresonanssien ja orgaanisten värimolekyylien välille onnistuttiin realisoimaan vahva kytkentä, joka on lähtökohta samanlaisten systeemien muille kvantti-ilmiöille, kuten esimerkiksi laseroinnille ja Bose-Einstein kondensaatiolle. 

Vahvan kytkennän lisäksi väitöskirjassa tutkittiin laserointia kultaisissa nanohiloissa, jotka yhdistettiin orgaanisten värimolekyylien kanssa. Systeemi viritetään laserilla ja viritetyt molekyylit emittoivat fotoneita. Hilaresonanssit saavat aikaan fotonien takaisinkytkentää ja systeemi emittoi laservaloa. Laserin toiminta riippuu merkittävästi hilan geometriasta. Hilat, joiden alkeiskopissa on enemmän kuin yksi hiukkanen, mahdollistavat laseroinnin tilajatkumon sidotuissa tiloissa. Nämä tilat ovat erikoisia, koska niitä ei voi havaita, ellei niitä ole kytketty vuotomekanismiin. Tässä työssä hilojen särmät toimivat vuotomekanismina. Tilajatkumon sidottuja tiloja voidaan tunnistaa ja luokitella näytteestä otettuja polarisoitujen reaali- ja liikemääräkuvien perusteella. 

Monitilalaserointi, eli samanaikainen laserointi eri kulmilla ja aallonpituuksilla onnistuttiin toteuttamaan superkoppihiloissa. Nämä muodostuvat erittäin suurista alkeiskopeista, jotka sisältävät kymmeniä hiukkasia jaksottomassa konfiguraatiossa. Isot alkeiskopit uudelleenjärjestellään periodisesti, mikä tuottaa useita uusia hilaresonanssitiloja, jotka mahdollistavat monitilalaseroinnin. Tämä väitöskirja laajentaa fundamentaalista ymmärtämystä nanoplasmoniikasta, ja sen tuloksia voidaan tulevaisuudessa hyödyntää muun muassa biosensoreissa, aurinkokennoissa ja valonlähteissä, kuten LED:eissä.

Yhteystiedot:

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