Projekt badawczy

Oddziaływanie światła z materią jest jednym z najbardziej podstawowych zjawisk, prowadzących do takich efektów, jak absorpcja, rozpraszanie, odbicie lub emisja, które pozwalają nam badać i wykorzystywać właściwości materii. Jednym z wybitnych przykładów jest interakcja światła z emiterami kwantowymi (QE), takimi jak atomy lub ekscytony w półprzewodnikach, powodująca emisję spontaniczną, co jest podstawą działania szerokiej gamy źródeł światła, od lamp fluorescencyjnych po lasery.

Siłę oddziaływania światło-materia można drastycznie zwiększyć poprzez umieszczenie QE we wnęce optycznej (OC), co może istotnie poprawić emisję spontaniczną. Siła oddziaływania zależy od kilku czynników, takich jak liczba oscylatorów we wnęce, siła oscylatora związana z szerokością linii absorpcji/emisji materiału oraz objętość modu efektywnego, czyli przestrzeń zajmowanej przez światło zamknięte we wnęce. Gdy częstotliwość emisji materiału odpowiada częstotliwości rezonansowej wnęki, siła oddziaływania może przekroczyć rozpraszanie energii w systemie, co prowadzi do tak zwanego reżimu silnego sprzężenia. W tym przypadku zamiast jednego wypadkowego modu pojawiają się dwa mody hybrydowe, które można postrzegać jako dwa maksima w pomiarach absorpcji. Różnica w ich pozycjach częstotliwości nazywa się rozszczepieniem Rabiego. W takim przypadku, w zależności od rodzaju materii, może wystąpić kilka pożądanych zjawisk, takich jak kondensacja Bosego-Einsteina w temperaturze pokojowej i nadciekłość. Zjawiska te można wykorzystać do laserowania o ultraniskim progu, przełączników jednofotonowych, całkowicie optycznych układów logicznych i kontroli reaktywności chemicznej. Chociaż jest to bardzo obiecujące dla nauk podstawowych i stosowanych, osiągnięcie reżimu silnego sprzężenia wymaga dużej siły sprzęgania i/lub wąskich linii układu QE-OC. Ogranicza to zakres ośrodków do materiałów wykazujących wyjątkowo wąskie linie emisyjne, takie jak molekuły barwnika lub kropki kwantowe i dodatkowo wymusza stosowanie wysokiej jakości wnęk optycznych, co często stanowi wyzwanie techniczne.

Problemy te można przezwyciężyć poprzez wykorzystanie wnękowych nanostruktur metalicznych – charakterystycznej klasy powierzchni, które mogą wychwytywać i wzmacniać światło w obszarach o rozmiarach sięgających kilku nanometrów (jednej milionowej milimetra). Jest to możliwe dzięki wzbudzeniu tak zwanego zlokalizowanego powierzchniowego rezonansu plazmonowego, podczas którego padające światło wymusza kolektywne oscylacje swobodnych elektronów w metalu na krawędziach nanoszczelin, które są silnie sprzężone z powierzchniowym modem elektromagnetycznym. Właściwości rezonansowo rozporszonego światła, takie jak częstotliwość, stan polaryzacji, czy kierunek propagacji można łatwo dostroić na podstawie składu materiału, geometrii nanostruktury i parametrów materiałowych otaczającego ośrodka.

Inną klasą materiałów idealną do badania silnych sprzężeń foton-ekscyton są quasi-2D organiczne perowskity halogenkowe. Materiały te powstają w strukturach oktaedrowych utworzonych przez jony metali, takie jak ołów (Pb), czy cyna (Sn), otoczone sześcioma anionami halogenkowymi (I, Br lub Cl). Pozostała przestrzeń struktury jest zajęta przez organiczne kationy. Poszczególne warstwy lub kilkuwarstwową strukturę oddzielają długie łańcuchy organiczne. Rozdzielenie warstw prowadzi do powstania naturalnej studni kwantowej. Powoduje to silną absorpcję ekscytonową i emisję wąskopasmową, w przypadku której energię pasma wzbronionego można kontrolować dostosowując skład atomowy i parametry strukturalne materiału.

Połączenie wnękowych nanostruktur plazmonicznych z quasi-2D organicznymi perowskitami halogenkowymi umożliwi stworzenie nowej klasy superprzestrajalnych powierzchni do badania i wykorzystania reżimu silnego sprzęgania. W szczególności do opracowania nowej klasy wydajnych źródeł światła o kontrolowalnej barwie oraz polaryzacji emitowanego promieniowania.

Celem tego projektu jest wyjaśnienie i wytłumaczenie fizyki związanej z syntezą tych materiałów oraz zakresu funkcjonalności pod względem osiągalnego rozszczepienia Rabiego i emisyjności jaką mogą wykazywać te hybrydowe materiały perowskitowo-plazmoniczne. Naszym celem jest udzielenie odpowiedzi na następujące pytania: (a) W jaki sposób architektura nanostruktur plazmonicznych wpływa na tempo wzrostu, strukturę krystalograficzną, wymiarowość oraz właściwości optyczne i elektryczne wybranych perowskitów quasi-2D, które są równomiernie syntetyzowane zarówno na całej powierzchni nanostruktury jak i w nanownęce plazmonicznej? (b) W jaki sposób jakość, wymiarowość i geometria cienkich warstw i nanokryształów quasi-2D perowskitu wpływają na ich właściwości optyczne, w tym zespolony współczynnik załamania światła i emisyjność? (c) Jak geometria i skład materiałowy hybrydowej struktury perowskitowo-plazmonowej wpływają na siłę oddziaływania w reżimie silnego sprzężenia? (d) Jak geometria struktury nanoszczeliny wpływa na właściwości emitowanego światła, zwłaszcza na kierunek emisji i polaryzację? (e) Jaka jest wydajność układu laserującego opartego na hybrydowych quasi-2D strukturach perowskitowo-plazmonicznych pod względem progu laserowego, stanu polaryzacji oraz spójności przestrzennej i czasowej emitowanego światła?

Celem tego projektu jest udzielenie odpowiedzi na te pytania, co nie tylko rzuci światło na podstawy fizyczne związane z wytwarzaniem takich materiałów, ale także zaspokoi obecne zapotrzebowanie na wielkopowierzchniowe i niskokosztowe platformy umożliwiające badania podstawowe nad silnymi sprzężeniami i otworzy drogę do wydajnych, ekonomicznych i przestrajalnych źródeł światła dla szerokiej gamy zastosowań, w tym technologii kwantowych, obrazowania, czujników i fotoniki.