Ηλεκτρομαγνητική Διέγερση Mie-Εξιτονίων και Διαμόρφωση με Στατικά Εξωτερικά Πεδία

Stamatopoulou, Panagiota-Elli; Σταματοπούλου, Παναγιώτα-Έλλη

dc.contributor.author	Stamatopoulou, Panagiota-Elli
dc.contributor.author	Σταματοπούλου, Παναγιώτα-Έλλη
dc.date.accessioned	2020-10-21T17:58:27Z
dc.date.available	2020-10-21T17:58:27Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/51575
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.19273
dc.rights	Default License
dc.subject	Μαγνητο-οπτικά Υλικά	el
dc.subject	Ισχυρή Σύζευξη	el
dc.subject	Μie-Εξιτόνια	el
dc.subject	Μαγνητικός Κυκλικός Διχρωισμός	el
dc.subject	Φωτονικό Φαινόμενο Hall	el
dc.subject	Magneto-optical Materials	en
dc.subject	Strong Coupling	el
dc.subject	Magnetic Circular Dichroism	el
dc.subject	Mie-Excitons	el
dc.subject	Photonic Hall Effect	el
dc.title	Ηλεκτρομαγνητική Διέγερση Mie-Εξιτονίων και Διαμόρφωση με Στατικά Εξωτερικά Πεδία	el
dc.title	Tailoring Mie-Excitons with Static External Fields	en
dc.contributor.department	Μικροσυστήματα και Νανοδιατάξεις	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Φυσική	el
heal.classification	Physics	en
heal.language	en
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-05-19
heal.abstract	Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία διερευνάται η πιθανότητα διαμόρφωσης της οπτικής απόκρισης των Mie-Εξιτονίων με χρήση εξωτερικών στατικών πεδίων. Ύστερα από μία σύντομη εισαγωγή (Κεφάλαιο 1) στους συντονισμούς Mie σε διηλεκτρικά υλικά υψηλού δείκτη διάθλασης και την ισχυρή σύζευξη στη Νανοφωτονική, το Κεφάλαιο 2 εισάγει τις βασικές αρχές της θεωρίας Mie για την απορρόφηση και σκέδαση φωτός από σωματίδια μικρών διαστάσεων, ενώ παράλληλα εξάγονται αναλυτικές εκφράσεις για τον πίνακα σκέδασης ενός σφαιρικού διηλεκτρικού σωματιδίου. Στην τελευταία ενότητα του κεφαλαίου μελετάται η προέλευση των συντονισμών Mie που εμφανίζονται σε νανοσφαίρες πυριτίου. Στο Κεφάλαιο 3 αποδεικνύεται ότι ισχυρή σύζευξη μεταξύ συντονισμών που προκύπτουν από διηλεκτρικά και εξιτονικά υλικά μπορεί να επιτευχθεί μέσα από δομές με διαμόρφωση πυρήνα-κελύφους που παράγουν υβριδικούς συντονισμούς, διττής φύσεως φωτός-ύλης, που ονομάζονται Mie-εξιτόνια. Στο σημείο αυτό τίθεται και ο στόχος αυτής της εργασίας, η διαμόρφωση δηλαδή των Mie-εξιτονίων μέσω εξωτερικών στατικών πεδίων. Το επόμενο κεφάλαιο ξεκινά με την αναλυτική απόδειξη ότι τα εξωτερικά πεδία δεν επιδρούν πάνω σε ισοτροπικά νανοσωματίδια κι ως εκ τούτου η ανισοτροπία είναι αναγκαία συνθήκη για την προσαρμογή των Mie-εξιτονίων. Έτσι, τα ισοτροπικά διηλεκτρικά υλικά υψηλού δείκτη διάθλασης αντικαθίστανται από γυροηλεκτρικά, των οποίων η οπτική απόκριση μελετάται υπό την επίδραση ενός εξωτερικού στατικού μαγνητικού πεδίου. Στο Κεφάλαιο 4 αναπτύσσεται, αρχικά, το μαθηματικό υπόβαθρο της σκέδασης κι απορρόφησης φωτός από γυροηλεκτρικά σωματίδια και, στη συνέχεια, αναλύεται η οπτική απόκριση μακρινού πεδίου, ο μαγνητικός κυκλικός διχρωισμός και το φωτονικό φαινόμενο Hall που παρουσιάζουν νανοσφαίρες από σιδηρογρανάτη υττρίου με προσμίξεις βισμουθίου (Bi:YIG). Τα τελευταία δύο είναι μαγνητο-οπτικά φαινόμενα που αναμένεται να είναι ισχυρά σε γυροηλεκτρικά νανοσωματίδια, ξεκλειδώνοντας νέες δυνατότητες για διατάξεις σε καθεστώς ισχυρής σύζευξης στη Νανοφωτονική. Στο Κεφάλαιο 5 η θεωρία Mie επεκτείνεται για διστρωματικά γυροηλεκτρικά σωματίδια, με επίκεντρο την περίπτωση νανοσφαίρας με πυρήνα Bi:YIG και εξιτονικό κέλυφος. Αφού τα αποτελέσματα οδηγούν στο συμπέρασμα ότι η διαμόρφωση των φασμάτων σκέδασης κι απορρόφησης των Mie-εξιτονίων μέσω εξωτερικών στατικών μαγνητικών πεδίων δεν είναι εφικτή, η εργασία επικεντρώνεται, στη συνέχεια, στην ανάλυση του μαγνητικού κυκλικού διχρωισμού και του φωτονικού φαινομένου Hall στο καθεστώς ισχυρής σύζευξης. Στο Κεφάλαιο 6 η διαδοχή των στρωμάτων του σύνθετου σωματιδίου αντιστρέφεται και αναλυτικές εκφράσεις εξάγονται για τον πίνακα σκέδασης διστρωματικών νανοσφαιρών με γυροηλεκτρικό κέλυφος. Και σε αυτήν την περίπτωση, η επίδραση του εξωτερικού στατικού μαγνητικού πεδίου στο οπτικό φάσμα μακρινού πεδίου των Mie-εξιτονίων είναι αμελητέα. Παρατηρείται, ωστόσο, ένα ισχυρό σήμα μαγνητικού κυκλικού διχρωισμού και μία σημαντική μαγνητο-οπτική συνιστώσα φωτός του φωτονικού φαινομένου Hall. Τέλος, στα Κεφάλαια 5 και 6 προτείνονται πιθανές εφαρμογές στην νανοϊατρική των δύο σύνθετων νανοσωματιδίων που μελετήθηκαν, για τις οποίες η μελέτη των μαγνητο-οπτικών φαινομένων που αναλύθηκαν είναι απαραίτητη.	el
heal.abstract	The present thesis explores the possibility of controlling the optical response of Mie-excitons using external static fields. After a brief introduction (Chapter 1) to Mie resonances in high-refractive index dielectrics and strong coupling in nanophotonics, Chapter 2 introduces the basic principles of Mie theory about absorption and scattering of light by small particles and analytic expressions for the scattering matrix of a spherical dielectric nanoparticle are derived. The origin of Mie resonances emerging in silicon nanospheres is discussed for first time in the last section of Chapter 2. Chapter 3 shows that strong coupling between the modes supported by dielectric and excitonic materials can be achieved through core-shell configurations that give rise to hybrid modes of mixed light-matter nature called Mie-excitons. This point sets the goal of this project, to control Mie-excitons with static external fields. The next chapter begins with the analytic proof that external fields have no effect over isotropic particles and therefore anisotropy is a necessary condition in the effort to manipulate Mie-excitons. To this end, isotropic high-refractive index dielectric nanospheres are substituted by gyroelectric ones and their optical response in the presence of a static magnetic field is studied. The mathematical framework of absorption and scattering by gyroelectric spheres is developed in Chapter 4 and the far-field optical response, the magnetic circular dichroism (MCD) signal and the photonic Hall effect of bismuth-substituted yttrium iron garnet (Bi:YIG) nanoparticles are analyzed. The latter two are magneto-optic effects that are anticipated to be strong in gyroelectric nanoparticles, thus introducing new possibilities in strong-coupling set-ups in nanophotonics. In Chapter 5 the appropriate extension of Mie theory for coated gyroelectric spheres is derived, focusing on the case of Bi:YIG core-excitonic shell configurations. At this point, it is shown that tunability of the far-field optical response of Mie-excitons is not possible and focus is therefore cast on the study of MCD and photonic Hall effect in the strong coupling regime. In Chapter 6 the arrangement of the two layers is inverted and the analytic solution of the scattering matrix of a gyroelectric shell is derived for the first time. Once again, it is shown that the effect of the applied magnetic field on Mie-excitons turns out to be negligible, but wide energy splittings in MCD and a large Hall photon current are observed. Throughout Chapters 5 and 6 possible applications of composite excitonic-Bi:YIG spheres in nanomedicine are proposed for which thorough study and manipulation of the MCD signal and the photonic Hall effect is essential.	en
heal.sponsor	Η εργασία εκπονήθηκε με υποτροφία από το πρόγραμμα Erasmus+ και επιχορήγηση από το VILLUM Foundation (grant No. 16498).	el
heal.advisorName	Γιαννόπαπας, Βασίλειος
heal.advisorName	Τσερκέζης, Χρήστος
heal.advisorName	Mortensen, Niels Asger
heal.committeeMemberName	Γιαννόπαπας, Βασίλειος
heal.committeeMemberName	Τσιγαρίδας, Γεώργιος
heal.committeeMemberName	Παπανικολάου, Νίκος
heal.academicPublisher	Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	71
heal.fullTextAvailability	false