Publicação
Excitation of plasmon-polaritons in graphene via non-linear mixing of optical waves
| Resumo: | Em 2015, plasmões de superficie (SPPs) foram pela primeira vez excitados em grafeno por um processo não linear (NL) de diferença de frequências, causado pela interação de dois feixes óticos [1]. Cálculos teóricos, usando teoria de perturbações, preveem uma resposta muito mais fraca do que a necessária para explicar os dados experimentais. Experiências e resultados teóricos recentes revelam a importância dos SPPs na relaxação de portadores de carga em grafeno e apontam para a possibilidade da sua amplificação em condições fora do equilíbrio, por exemplo, quando uma folha de grafeno é incidida por feixes óticos muito intensos. No entanto, o mecanismo por trás da sua geração por diferença de frequências ainda não é totalmente compreendido. Nesta tese, calculamos as condutividades óticas não lineares relevantes ao processo e mostramos que as observações experimentais da Ref. [1] têm a sua origem em processos físicos para além da geração coerente de SPPs por diferença de frequências, descrita pela abordagem da teoria de perturbação da matriz de densidade. Também estudamos a dinâmica dos portadores de carga no grafeno quando estes se encontram fora do equilíbrio e apresentamos o nosso modelo de eletrões quentes para explicar a sua influência na geração de SPPs. Os resultados experimentais podem ser compreendidos se para além do processo de diferença de frequências de segunda ordem, considerarmos também a amplificação do campo SPP devido ao relaxamento interbanda de eletrões quentes. Para descrever esta amplificação na presença da geração por diferença de frequências, escrevemos uma equação de evolução para o número de ocupação de SPPs. Os nossos cálculos mostram que estes dois processos, ocorrendo em simultâneo, podem aumentar fortemente a taxa de geração não-linear de plasmões de superfície. Finalmente, o trabalho experimental, realizado para gerar SPPs através do mecanismo teorica mente considerado, também é apresentado. O principal desafio foi a contruir um esquema de deteção sensível o suficiente para observar a excitação dos SPPs. Várias técnicas, tais como deteção sensível de fase (lock-in amplifier) e deteção balanceada, foram exploradas. O esquema ótico foi construído, mas a potência do laser precisa ser estabilizada e consequentemente ainda não tivemos sucesso. No entanto, os métodos e resultados apresentados na parte experimental desta tese são uma referência importante para continuação do trabalho no futuro. |
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| Autores principais: | Dias, Rui Jorge Pinto |
| Assunto: | Plasmónica em grafeno Condutividade não linear Eletrões quentes “Laser” de plasmões Graphene plasmonics Nonlinear conductivity Hot electrons Plasmon lasing Ciências Naturais::Ciências Físicas |
| Ano: | 2023 |
| País: | Portugal |
| Tipo de documento: | dissertação de mestrado |
| Tipo de acesso: | acesso aberto |
| Instituição associada: | Universidade do Minho |
| Idioma: | inglês |
| Origem: | RepositóriUM - Universidade do Minho |
| Resumo: | Em 2015, plasmões de superficie (SPPs) foram pela primeira vez excitados em grafeno por um processo não linear (NL) de diferença de frequências, causado pela interação de dois feixes óticos [1]. Cálculos teóricos, usando teoria de perturbações, preveem uma resposta muito mais fraca do que a necessária para explicar os dados experimentais. Experiências e resultados teóricos recentes revelam a importância dos SPPs na relaxação de portadores de carga em grafeno e apontam para a possibilidade da sua amplificação em condições fora do equilíbrio, por exemplo, quando uma folha de grafeno é incidida por feixes óticos muito intensos. No entanto, o mecanismo por trás da sua geração por diferença de frequências ainda não é totalmente compreendido. Nesta tese, calculamos as condutividades óticas não lineares relevantes ao processo e mostramos que as observações experimentais da Ref. [1] têm a sua origem em processos físicos para além da geração coerente de SPPs por diferença de frequências, descrita pela abordagem da teoria de perturbação da matriz de densidade. Também estudamos a dinâmica dos portadores de carga no grafeno quando estes se encontram fora do equilíbrio e apresentamos o nosso modelo de eletrões quentes para explicar a sua influência na geração de SPPs. Os resultados experimentais podem ser compreendidos se para além do processo de diferença de frequências de segunda ordem, considerarmos também a amplificação do campo SPP devido ao relaxamento interbanda de eletrões quentes. Para descrever esta amplificação na presença da geração por diferença de frequências, escrevemos uma equação de evolução para o número de ocupação de SPPs. Os nossos cálculos mostram que estes dois processos, ocorrendo em simultâneo, podem aumentar fortemente a taxa de geração não-linear de plasmões de superfície. Finalmente, o trabalho experimental, realizado para gerar SPPs através do mecanismo teorica mente considerado, também é apresentado. O principal desafio foi a contruir um esquema de deteção sensível o suficiente para observar a excitação dos SPPs. Várias técnicas, tais como deteção sensível de fase (lock-in amplifier) e deteção balanceada, foram exploradas. O esquema ótico foi construído, mas a potência do laser precisa ser estabilizada e consequentemente ainda não tivemos sucesso. No entanto, os métodos e resultados apresentados na parte experimental desta tese são uma referência importante para continuação do trabalho no futuro. |
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