Plazmonika

Plazmonika: podstawy, zjawiska, obecne zastosowania, perspektywy

Jeden z twórców plazmoniki William L. Barnes we wstępie do książki Maiera "Plasmonics" napisał:

Plazmonika? To równania Maxwella, trochę własności materiałów i nieco warunków brzegowych. Cała rzecz w tym, że możliwość łączenia metalicznych nanostruktur z dielektrykami prowadzi do uzyskania niezwykłych właściwości: koncentracji i prowadzenia światła w strukturach podfalowych. Jest to możliwe dzięki narzędziom do wytwarzania i pomiaru nanostruktur.

Wiele narzędzi nanotechnologicznych powstało lub zostało udoskonalone w ostatniej dekadzie. Są to napylarki do nanowarstw metali (w temperaturze 100K) i dielektryków (w temperaturze 600K), urządzenia do cięcia i trawienia struktur plazmonicznych wiązką jonów galu (focus ion beam), wysokorozdzielcze mikroskopy elektronowe i optyczne...

Wykład ma za zadanie przedstawić podstawy plazmoniki i zainteresować słuchaczy aktualnymi problemami badawczymi z tej dziedziny rozwiązywanymi między innymi w Zakładzie Optyki Informacyjnej WF UW.

w sali

Po krótkim przypomnieniu elementów elektrodynamiki omówimy właściwości powierzchniowych fal plazmonowo-polarytonowych i sposoby ich generacji. Dla umożliwienia sprzężenia foton-plazmon konieczne jest dopasowanie wektorów falowych plazmonów i fotonów dzięki wykorzystaniu karbowanych powierzchni metalu.

Dalsze tematy praktyczne to: nanosoczewki plazmoniczne, obrazowanie propagacji plazmonów-polarytonów, skanujący mikroskop optyczny bliskiego pola i jego rozdzielczość, zlokalizowane plazmony powierzchniowe, światłowody plazmonowe, transmisja światła przez pojedyncze i wielokrotne otwory podfalowe w ekranach metalowych.

Plany: plazmonika i nanoptyka. Urządzenia nanooptyczne. Plazmoniczno-dyfrakcyjne pułapki światła w fotowoltaice.

Wstęp: efekty plazmoniczne w dawnych obiektach sztuki.

Podstawy: Równania Maxwella, równania materiałowe, równania falowe, właściwości optyczne metali, fale zanikające, modele dyspersji Lorentza i Drudego. Powierzchniowa fala plazmonowo-polarytonowa. Struktury metal-dielektryk-metal (MIM) oraz dielektryk-metal-dielektryk (IMI). Sposoby wzbudzania plazmonów. Polaryzacja światła: liniowa, kołowa, radialna, azymutalna. Metody numeryczne: metoda elementów skończonych w dziedzinie czasu (finite-difference time-domain – FDTD), metoda macierzy przejścia (transfer matrix metod – TMM).

Zjawiska: Nadzwyczajna transmisja światła przez otwory podfalowe. Transmisja światła przez wielowarstwy metal-dielektryk. Nadrozdzielczość w optycznych układach klasycznych i plazmonicznych. Metamateriały.

Zastosowania: Soczewki plazmoniczne z jednej warstwy metalu (Veselago, Pendry, Zhang, Wróbel). Kształtowanie frontu fali elektromagnettycznej przez soczewki plazmoniczne z wielowarstw dielektryczno-metalicznych. Skanujący optyczny mikroskop bliskiego pola – SNOM. Skanowanie metamateriałów polem magnetycznym.

Kryształy fotoniczne. Filtr asymetryczny.

Perspektywy: Plazmonika w fotowoltaice. Czujniki plazmoniczne.

Po polsku:

Tomasz J. Antosiewicz - rozprawa doktorska: Wpływ nanostruktury sondy metalizowanej na rozdzielczość optycznego mikroskopu skaningowego bliskiego pola (2009).

Tomasz Stefaniuk - rozprawa doktorska: Metaliczno-dielektryczne nanostruktury do kształtowania frontu fali elektromagnetycznej (2012).

Piotr Wróbel - rozprawa doktorska: Własności ogniskujące metalowej nanosoczewki (2012).

Po angielsku:

A.V. Zayats, I.I. Smolyaninov, A.A. Maradudin, Nano-optics of surface plasmon polaritons, Physics Reports 408, 131–314 (2005).

L. Novotny, B. Hecht, Principles of Nano-Optics (Cambridge University Press, 2006).

H. A. Atwater, The promise of plasmonics, Scientific American 296, 56–63 (2007).

S.A. Maier, Plasmonics: Fundamentals and applications (Springer, 2007)

Mark I. Stockman, Nanoplasmonics: past, present, and glimpse into future, Optics Express 19, 22029-22106 (2011).

M. I. Stockman, Nanoplasmonics: The physics behind the applications, Phys. Today 64, 39–44 (2011).

Poznanie właściwości powierzchniowych fal plazmonowo-polarytonowych. Zrozumienie podstaw fizycznych nanoptyki/fotoniki. Poznanie urządzeń nanooptycznych działających z wykorzystaniem powierzchniowych fal plazmonowo-polarytonowych: skanujacego optycznego mikroskopu pola bliskiego i skanujacego magnetycznego mikroskopu pola bliskiego. Poznanie sposobów na uzyskiwanie rozdzielczości lepszej niż wynika z ograniczenia dyfrakcyjnego. Czujniki plazmoniczne.

Egzamin ustny.

Wszystkich zainteresowanych słuchaczy wykładu zapraszamy do szczegółowego zwiedzenia pracowni w Zakładzie Optyki Informacyjnej WF UW i zapoznania się z prowadzonymi w niej badaniami.