IGF



Grupa badawcza


Nanofotonika

Lider grupy badawczej: dr hab. Tomasz Antosiewicz

Zakład Optyki Informacyjnej


Oddziaływanie światła z materią zdeterminowane jest przez jej skład oraz rozkład w przestrzeni. Startując z pewnej ilości danego pierwiastka i zmieniając jego ukształtowanie możliwe jest otrzymanie zarówno bardzo dobrego lustra, (prawie) doskonałej czerni, jak i wielobarwnej gamy kolorów. W grupie badawczej zajmujemy się odkrywaniem jak ukształtowanie przestrzenne materii w nanometrowej skali wpływa na jej oddziaływanie ze światłem i w jaki sposób można wykorzystać te zjawiska w budowie wydajniejszych urządzeń. W naszych badaniach wykorzystujemy wiedzę z optyki, elektrodynamiki i wybranych elementów ciała stałego. Zajmujemy się głównie modelowaniem komputerowym i rozwojem modeli analitycznych, a nasze przewidywania i modele testujemy przy współpracy na Wydziale Fizyki jak i z grupami badawczymi w Chalmers University of Technology i Universidad Autónoma de Madrid. Nasze badania wpisują się w światowy rozwój metamateriałów i nanofotoniki funkcjonalnej.

Nasza aktualna tematyka badawcza obejmuje:

Efekty kwantowe i nielokalne w nanostrukturach plazmonicznych o rozmiarach pojedynczych nanometrów zmieniają istotnie własności rezonansowe powodując przesunięcie rezonansu ku czerwieni bądź ku niebieskiemu w zależności od materiału plazmonicznego (gęstości nośników przewodnictwa) i otoczenia. Znajomość tych efektów umożliwia przewidywanie własności układów plazmonicznych i urządzeń na nich opartych.

  • Carmina Monreal, S. Peter Apell, Tomasz J. Antosiewicz, Quantum-size effects in visible defect photoluminescence of colloidal ZnO quantum dots: a theoretical analysis, Nanoscale 10, 7016-7025 (2018).
  • Carmina Monreal, S. Peter Apell, Tomasz J. Antosiewicz, Infrared absorption and hot electron production in low-electron-density nanospheres: A look at real systems, J. Phys. Chem. Lett. 8, 524-530 (2017).
  • Carmina Monreal, Tomasz J. Antosiewicz, S. Peter Apell, Diffuse surface scattering and quantum size effects in the surface plasmon resonances of low-carrier-density nanocrystals, J. Phys. Chem. C 120, 5074-5082 (2016).
  • Carmina Monreal, Tomasz J. Antosiewicz, S. Peter Apell, Diffuse surface scattering in the plasmonic resonances of ultralow electron density nanospheres, J. Phys. Chem. Lett. 6, 1847-1853 (2015).

Optyczne rezonatory zbudowane z dielektryków umożliwiają wydajne sprzęgnięcie materii ze światłem bez strat dyssypacyjnych w metalach.

  • Ruggero Verre, Lei Shao, Nils Odebo Länk, Pawel Karpiński, Andrew B. Yankovich, Tomasz J. Antosiewicz, Eva Olsson, Mikael Käll, Metasurfaces and colloidal suspensions composed of 3D chiral Si nanoresonators, Adv. Mater. 29, 1701352 (2017).

Plazmoniczne układy antena-reaktor do wydajnej katalizy, dzięki którym jesteśmy w stanie wydajnie wykorzystać rzadkie materiały katalityczne jak platyna, pallad, rod, i inne. Dzięki sprzęgnięciu ich z antenami optycznymi możemy zwiększyć absorpcje światła i generację gorących elektronów, które są odpowiedzialne za zachodzenie reakcji fotokatalitycznych.

  • Carmina Monreal, S. Peter Apell, Tomasz J. Antosiewicz, Infrared absorption and hot electron production in low-electron-density nanospheres: A look at real systems, J. Phys. Chem. Lett. 8, 524-530 (2017).
  • Zhong-Jian Yang, Tomasz J. Antosiewicz, Ruggero Verre, F. Javier Garcia de Abajo, S. Peer Apell, Mikael Käll, Ultimater limit of light extinction by nanophotonic structures, Nano Lett. 15, 7633-7638 (2015).
  • Tomasz J. Antosiewicz, Carl Wadell, Christoph Langhammer, Plasmon-assisted indirect light absorption engineering in small transition metal catalyst nanoparticles, Adv. Opt. Mater. 3, 1591-1599 (2015).
  • Tomasz J. Antosiewicz, S. Peter Apell, Optical enhancement of plasmonic activity of catalytic metal nanoparticles, RSC Adv. 5, 6378-6384 (2015).

Efektywne własności stochastycznych aglomeratów nanocząstek stanowią prosty, ale bardzo efektywny sposób uwzględnienia własności optycznych bez zagłębiania się w mikroskopowe szczegóły strukturalne. Opis dwu- lub wieloskładowych materiałów sprowadza się do posługiwania się prostą, efektywną przenikalnością elektryczną, która zawiera w sobie wszystkie oddziaływania zachodzące wewnątrz materiału.

  • Krzysztof M. Czajkowski, Dominika Świtlik, Christoph Langhammer, Tomasz J. Antosiewicz, Effective Optical Properties of Inhomogeneously Distributed Nanoobjects in Strong Field Gradients of Nanoplasmonic Sensors, Plasmonics (2018). https://doi.org/10.1007/s11468-018-0769-4
  • Tomasz J. Antosiewicz, Tomasz Tarkowski, Localized surface plasmon decay pathways in disordered two-dimensional nanoparticle arrays, ACS Photonics 2, 1732-1738 (2015).
  • Tomasz J. Antosiewicz, S. Peter Apell, Plasmonic glasses: Optical properties of amorphous metal-dielectric composites, Opt. Express 22, 2031-2042 (2014).

Silne sprzężenie pomiędzy światłem i materią otwiera nowe możliwości kontrolowania światła, w których hybrydowe rezonanse posiadają własności obu składników. Jest to możliwe dzięki temu, iż w tym stanie wymiana energii pomiędzy podukładem fotonicznymi a materiałowym (np. ekscyton) zachodzi szybciej niż jakakolwiek dyssypacja. Prowadzi to powstania jakościowo nowych stanów, które umożliwią zaobserwowanie np. jedno-fotonowych nieliniowości, optycznych układów logicznych, bądź kontrolowania reakcji chemicznych.

  • Battulga Munkhbat, Martin Wersäll, Denis G. Baranov, Tomasz J. Antosiewicz, Timur Shegai, Suppression of photo-oxidation of organic chromophores by strong coupling to plasmonic nanoantennas, Sci. Adv. 4, eaas9552 (2018).
  • Jorge Cuadra, Denis G. Baranov, Martin Wersäll, Ruggero Verre, Tomasz J. Antosiewicz, Timur Shegai, Observation of tunable charged exciton polaritons in hybrid monolayer WS2–plasmonic nanoantenna system, Nano Lett. 18, 1777-1785 (2018).
  • Martin Wersäll, Jorge Cuadra, Tomasz J. Antosiewicz, Sinan Balci, Timur Shegai, Observation of mode splitting in photoluminescence of individual plasmonic nanoparticles strongly coupled to molecular excitons, Nano Lett. 17, 551-558 (2017).
  • Zhong-Jian Yang*, Tomasz J. Antosiewicz*, Timur Shegai. Role of material loss and mode volume of plasmonic nanocavities for strong plasmon-exciton interactions, Opt. Express 24, 20373-20381 (2016).
  • Gülis Zengin, Martin Wersäll, Sara Nilsson, Tomasz J. Antosiewicz, Mikael Käll, Timur Shegai, Realizing strong light-matter interactions between single-nanoparticle plasmons and molecular excitons at ambient conditions, Phys. Rev. Lett. 114, 157401 (2015).
  • Tomasz J. Antosiewicz, S. Peter Apell, Timur Shegai, Plasmon-exciton interactions in a core-shell geometry: From enhanced absorption to strong coupling, ACS Photonics 1, 454-463 (2014).

Plazmoniczne sensory wykorzystują wzmocnione pole elektromagnetyczne przy powierzchni metalu do pomiaru zmian współczynnika załamania, które są wywołane przez zmiany materiałowe i strukturalne zachodzące w tym polu. Te czujniki działają w oparciu o rezonans plazmoniczny, który zachodzi dla struktur metalicznych o odpowiednich geometriach, a jego częstość rezonansowa zależy od rozmiarów struktury, materiału, geometrii, jaki i otoczenia. Zmiana dowolnego z tych parametrów skutkuje przesunięciem rezonansu, dzięki czemu można śledzić w czasie te zmiany. Bardzo duże wzmocnienie pola elektromagnetycznego umożliwia detekcję nawet pojedynczych molekuł oraz innych efektów zachodzących w skali nanometrowej.

  • Ferry A. A. Nugroho, Rickard Frost, Tomasz J. Antosiewicz, Joachim Fritzsche, Elin M. Larsson Langhammer, Christoph Langhammer, Topographically flat nanoplasmonic sensor chips for biosensing and materials science, ACS Sensors 2, 119-127 (2017).
  • Ferry A. A. Nugroho, Amaia Diaz de Zerio Mendaza, Camilla Lindqvist, Tomasz J. Antosiewicz, Christian Müller, Christoph Langhammer, Plasmonic nanospectroscopy for thermal analysis of organic semiconductor thin films, Anal. 89, 2575-2582 (2017).
  • Srdjan S Aćimović, Hana Šípová, Gustav Emilsson, Andreas B Dahlin, Tomasz J Antosiewicz, Mikael Käll, Superior LSPR substrates based on electromagnetic decoupling for on-a-chip high-throughput label-free biosensing, Light: Sci. 6, e17042 (2017).
  • Svetlana Alekseeva, Alice Bastos da Silva Fanta, Beniamino Iandolo, Tomasz J. Antosiewicz, Ferry Anggoro Ardy Nugroho, Jakob B. Wagner, Andrew Burrows, Vladimir P. Zhdanov, Christoph Langhammer, Grain boundary mediated hydriding phase transformations in individual polycrystalline metal nanoparticles, Nature Commun. 8, 1084 (2017).
  • Joachim Fritzsche, David Albinsson, Michael Fritzsche, Tomasz J. Antosiewicz, Fredrik Westerlund, Christoph Langhammer, Single particle nanoplasmonic sensing in individual nanofluidic channels, Nano Lett. 16, 7857-7864 (2016).
  • Tomasz J. Antosiewicz, Mikael Käll, A multiscale approach to modeling plasmonic nanorod biosensors, J. Phys. Chem. C 120, 20692-20701 (2016).
  • Svetlana Syrenova, Carl Wadell, Ferry A. A. Nugroho, Tina A. Gschneidtner, Yuri A. Diaz Fernandez, Giammarco Nalin, Dominika Świlik, Frederik Westerlund, Tomasz J. Antosiewicz, Vladimir P. Zhdanov, Kasper Moth-Poulsen, Christoph Langhammer, Hydride formation thermodynamics and hysteresis in individual Pd nanocrystals with different size and shape, Nature Mater. 14, 1236-1244 (2015).
  • Virginia Claudio, Andreas B. Dahlin, Tomasz J. Antosiewicz, Single-particle plasmon sensing of discrete molecular events: Binding position versus signal variations for different sensor geometries, J. Phys. Chem. C 118, 6980-6988 (2014).

Projekt badawczy