ÄûÃʵ¼º½

Väitöskirjan nimi: Topological effects in plasmonic lattices 

³Õä¾±³Ù³Ù±ð±ô¾±Âáä: Kristian Arjas
³Õ²¹²õ³Ù²¹±¹Ã¤¾±³Ù³ÙäÂáä: tutkija Paloma Arroyo Huidobro, Universidad Autónoma de Madrid, Espanja
Kustos: professori Päivi Törmä Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu 

Metalliset nanohiukkaset vuorovaikuttavat valon kanssa hyvin eritavalla kuin arkiympäristöstä tutut makroskooppiset metallit. Sen sijaan, että valo heijastuisi metallin pinnalta, nanohiukkasten pinnalla olevat vapaat elektronit muodostavat korkealaatuisen plasmonisen resonanssin valon sähkömagneettisen kentän kanssa. Järjestämällä nanohiukkaset hilaan, näiden resonanssien ominaisuuksia voidaan säädellä ja korostaa. Plasmoniset nanolaserit ovat yksi plasmonisten hilojen tärkeistä sovelluksista. Säätelemällä hilan ominaisuuksia, kuten nanohiukkasten paikkoja ja kokoja, voimme hallita tuotetun lasersäteen ominaisuuksia. Vaihtoehtoisesti, tutkimalla rakenteen tuottamaa laservaloa, voimme tutkia hilan plasmonisia viritystiloja.

Fotoniikassa, topologia voi viitata muutamaan eri asiaan. Väitöskirjassani tutkin paikallista topologiaa, mikä käsittelee topologisia defektejä ja sidottuja tiloja jatkumossa. Parhaiten nämä voidaan ymmärtää sähkökentän epäjatkuvuuskohtina, ja valon pyörreilmiöinä. Jos plasmoninen hila laseroi tilasta, mihin on liitettävissä epätriviaali kiertymä, välittyy kiertymä myös tuotettuun lasersäteeseen, joka voidaan mitata pyörrevarauksena. Tämä luo donitsin muotoisen kirkkaan, kapean säteen mikä on keskeltä pimeä. Ilmiö on vastaava kuin pyörremyrskyssä, mutta liikkuvan ilmamassan sijaan tarkastelemme sähkökenttää. Mainittakoon, että sähkökentällä on mahdollista luoda myös paljon monimutkaisempia pyörteitä.

Yksi väitöskirjani punaisista langoista oli yhä monimutkaisempia pyörteitä sisältävien sähkökenttien, ja täten myös lasersäteiden, suunnittelu ja luominen. Tarkastelemalla heksamerihilaa, eli kuusikulmaisista nanohiukkasrykelmistä muodostuvaa kolmiohilaa, huomasimme, että mitatun laservalon pyörrevaraus riippui voimakkaasti hiukkasten sijainneista. Simulaatioiden pohjalta ymmärsimme, että rakenteen symmetria ja Ohmiset häviöt, eli lämmöksi muuttuva sähkömagneettinen energia, määrittävät mikä on tuotetun valon pyörrevaraus. Tähän nojaten loimme yleisen reseptin, jonka avulla pystyimme suunnittelemaan plasmonisia kvasikiteitä jotka laseroivat liki mielivaltaisilla pyörrevarauksilla. Sovellusten kannalta tämä on merkittävä tulos, koska säteen pyörrettä voitaisiin mahdollisesti hyväksikäyttää tiedonsiirrossa.

Avainsanat: Plasmoniikka, topologia, laserointi, sidotut tilat jatkumossa, ryhmäteoria

Yhteystiedot: kristian.arjas@aalto.fi 

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä):