Polaritonics in nanostructures with 2D materials and point emitters

Abstract

This thesis presents results of theoretical consideration of three distinct problems of light interaction with solid-state nanostructures. Each of these problems is related to the concept of polaritons, mixed excitations resulting from coupling of photons to certain quasiparticles in the condensed matter. This concept is described in the Introduction and each of the specific problems considered is presented in a separate chapter. In the first of these chapters, polaritonic effects in a structure containing an antiferromagnet (MnF2) and a graphene sheet are studied. The dispersion relations are studied both for TE and TM polarizations. Comparisons are made between the system with only antiferromagnet, only graphene sheet and the full system, in order to study the effect of each part of the system on the dispersion relation. The variations of the absorbance, reflectance and transmittance with the angle of incidence of a plane wave are also studied. A perfect metal is added to the system in order to study the effect of the extra confinement on the dispersion relations. In the following chapter, a system consisting of a 2D transition metal dichalcogenide (TMD) layer, namely a monolayer of MOS2, embedded in a cylindrical microcavity made of Si3N4, is studied. The focus is on studying the formation of exciton-polariton modes and their effect on the dispersion relation, as well as on the local density of states. A study of the enhancement of the total and local density of states is conducted with respect to both the frequency and the position in the cylinder. A point-emitter can then be placed at the spots of maximum intensity to take advantage of the distribution of energy inside the cavity. In the last part of this work, the eigenmodes of a microsphere are studied in order to predict the distribution of energy from external excitation of these modes by incidence of plane waves on the microsphere. For this, the effect of the local density of states is combined with the distribution of the incident rays as their travel inside the sphere in order to estimate the distribution of light on the microcavity. As in the previous chapter, a point-emitter can be placed in the position of higher enhancement to take advantage of the distribution of energy inside the cavity. The last chapter of the thesis is devoted to discussion of some physical aspects and potential applications of the solved problems.

Esta tese apresenta resultados teóricos de três problemas distintos de interação de luz com nanoestruturas de matéria condensada. Cada um deste problemas está relacionado com o conceito de polaritões, excitações mistas resultantes do acoplamento de fotões a determinadas quasi-partículas na matéria condensada, e este conceito é abordado na introdução e cada um dos problemas estudado tem um capítulo dedicado ao mesmo. No primeiro destes capítulos, são estudados os efeitos polaritónicos numa estrutura que contém um antiferromagnete (MnF2) e uma folha de grafeno. As relações de dispersão são estudadas para ambas as polarizações possíveis, 'transverse magnetic' (TM) e 'transverse electric' (TE). Comparam-se os sistemas com apenas o antiferromagnete, apenas a folha de grafeno e o sistema completo, de forma a estudar o efeito que cada componente tem na relação de dispersão. Também _e estudada a variação da absorbância, refletância e transmitância com o ângulo de incidência de uma onda plana. É adicionado um metal perfeito ao sistema de forma a estudar o efeito do confinamento adicional nas relações de dispersão. No capítulo seguinte, é estudado um sistema com uma monocamada de um metal de transição dicalcogeneto (TMD), nomeadamente MOS2, embutido numa microcavidade cilíndrica de Si3N4. O foco está no estudo da formação de polaritões excitónicos e os seus efeitos na relação de dispersão do sistema, assim como na densidade local de estados. É levado a cabo um estudo do aprimoramento das densidades de estado totais e locais com a variação da frequência eletromagnética e da zona do cilindro. Sabendo os resultados destas variações é possível colocar um emissor pontual num dos locais de máxima intensidade para tomar partido da distribuição de energia dentro da cavidade. Na parte final deste trabalho, estudam-se os modos próprios eletromagnéticos de uma microesfera de forma a prever a distribuição de energia resultante da excitação externa destes modos por incidência de ondas planas. Para tal, o efeito da densidade local de estados tem de ser combinado com a distribuição de raios incidentes dentro da esfera à medida que os mesmos se propagam no interior. Tal como no capítulo anterior, é possível colocar um emissor pontual no interior da esfera na posição de maior aprimoramento para tomar partido da distribuição de energia dentro da cavidade. O capítulo final desta tese é dedicado à discussão de alguns aspetos físicos e potenciais aplicações dos problemas resolvidos.