Οπτικές ιδιότητες υβριδικών δομών αποτελούμενες από κβαντικούς εκπομπούς και μεταλλικά νανοσωματίδια

Η κβαντική νανοφωτονική είναι το πεδίο έρευνας το οποίο αφορά στη μελέτη των κβαντικών ιδιοτήτων του φωτός κατά την αλληλεπίδρασή του με την ύλη στο επίπεδο της νανοκλίμακας. Στην περίπτωση που οι νανοδομές είναι μεταλλικές και, ιδιαίτερα, κατασκευασμένες από ευγενή μέταλλα τότε οι νανοδομές, για συγκεκριμένες περιοχές του ορατού ηλεκτρομαγνητικού (ΗΜ) φάσματος (σε αρκετές περιπτώσεις και του υπέρυθρου) εμφανίζουν έναν τύπο διεγέρσεων, τα λεγόμενα επιφανειακά πλασμόνια όπου το ΗΜ πεδίο, βρισκόμενο σε σύζευξη με ταλαντώσεις φορτίου (πλάσμα) στην επιφάνεια της νανοδομής, εντοπίζεται σε εξαιρετικά μικρές περιοχές του χώρου, πολύ μικρότερες από αυτές που μπορούν να επιτευχθούν με συμβατικά οπτικά μέσα λόγω του ορίου διακριτικής ικανότητας που θέτει το φαινομένο της περίθλασης. Το αντικείμενο της παρούσης διατριβής αφορά στη μελέτη της αλληλεπίδρασης ύλης-ακτινοβολίας στην συγκεκριμένη περιοχή. Συγκεκριμένα μελετάται η αλληλεπίδραση κβαντικών εκπομπών, δηλαδή σχεδόν σημειακών πηγών ΗΜ ακτινοβολίας όπως είναι τα άτομα, τα μόρια ή οι κβαντικές τελείες, με μεταλλικά (ή τοπολογικά) νανοσωματίδια, τα οποία ακτινοβολούνται από ορατό (ή υπέρυθρο) φως. Για τη θεωρητική/ υπολογιστική μελέτη τέτοιων υβριδικών φωτονικών συστημάτων, αναπτύχθηκε ένας φορμαλισμός πολλαπλής σκέδασης πολαριτονικών τελεστών στον οποίο ενσωματώθηκε η μέθοδος συζευγμένων διπόλων για νανοσωματίδια, συνοδευόμενος από την κατασκευή σχετικού υπολογιστικού κώδικα στη γλώσσα Fortran 90. Σύμφωνα με τον φορμαλισμό αυτό, περιγράφονται πλήρως όλα τα πιθανά μονοπάτια μέσω των οποίων σκεδάζεται το φώς μέσα σε μια υβριδική συλλογή από κβαντικούς εκπομπούς και νανοσωματίδια. Έτσι, πέρα από την κλασσική πολλαπλή (ελαστική) σκέδαση του φωτός από τα νανοσωματίδια, ο φορμαλισμός περιλαμβάνει και φαινόμενα διέγερσης/ αποδιέγερσης/ παγίδευσης του φωτός στους κβαντικούς εκπομπούς. Αρχικά, η αναπτυχθείσα μέθοδος εφαρμόστηκε στη μελέτη γραμμικής αλυσίδας αποτελούμενης από διμερή κβαντικών εκπομπών και μεταλλικών νανοσωματιδίων που αλληλεπιδρούν στην περιοχή της ισχυρής σύζευξης, όπου παρατηρείται η ανάδειξη μιας πλειάδας πλεξιτονικών συντονισμών ως απόρροια μιας διαδικασίας υβριδισμού μεταξύ των πλεξιτονικών συντονισμών καθενός μεμονωμένου διμερούς. Στη συνέχεια, για το ίδιο σύστημα εκτελέστηκαν εκτενείς υπολογισμοί για τα φάσματα φωτός και παρουσιάζεται ένας συστηματικός τρόπος ερμηνείας των φασμάτων καθώς και ένας τρόπος πρόβλεψης των των φασματικών τάσεων για υβριδικές αλυσίδες αυθαίρετου μήκους. Κατόπιν μελετήθηκε η αλληλεπίδραση στην περιοχή της ισχυρής σύζευξης ενός διμερούς κβαντικού εκπομπού και νανοσωματιδίου τοπολογικού μονωτή όπου παρατηρείται η ανάδειξη ενός νέου τρόπου ταλάντωσης παρόμοιου με τον πλεξιτονικό που παρατηρείται σε διμερή κβαντικών εκπομπών και μεταλλικών νανοσωματιδίων. Τέλος, εφαρμόστηκε μόνο η μέθοδος των συζευγμένων διπόλων σε ένα νανο-συσσωμάτωμα αποτελούμενο από κβαντικούς εκπομπούς και μεταλλικά νανοσωματίδια, όπου μελετήθηκε ο τρόπος με τον οποίο η αλληλεπίδραση των επιφανειακών πλασμονίων των μεταλλικών νανοσωματιδίων με τους εξιτονικούς συντονισμούς των κβαντικών εκπομπών αντικατοπτρίζεται σε πειραματικά μετρήσιμα μεγέθη όπως η ενεργός διατομή απορρόφησης του νανο-συσσωματώματος.