Quantum Nonlinear Nano-optics in Hybrid Polaritonic Systems

I denne afhandling undersøger vi teoretisk lys-materiale interaktioner i hybride nanostrukturer. Vi gennemgår den grundlæggende teori bag klassisk elektrodynamik og kvanteelektrodynamik i nanofotonik. Det gør vi for at opdage og analysere nye fænomener i systemer, som består af atomer og nanostrukturer, der understøtter polaritoniske resonanser. Vi undersøger primært polaritoniske nanostrukturer såsom metalliske nanostrukturer og todimensionelle nanostrukturer i form af isotrop og gyrotrop grafen. Hybride nanostrukturer bestående af polaritoniske materialer som disse bliver brugt som sensorer og indenfor kvante-kommunikation og -beregning.

Ved at starte med at gennemgå det grundlæggende i klassisk nanofotonik introducerer vi den teori, der er nødvendig for at studere plasmoniske resonanser i både metalliske nanostrukturer og grafen. Vi præsenterer den magnetooptiske respons af grafen, når et statisk magnetisk felt virker ortogonalt på grafenarket. Vi benytter denne teori, når vi eksiterer en magnetooptisk grafen nanostruktur med en plan bølge. Vi udvikler en semi-analytisk formalisme til at beskrive den magnetooptiske respons af grafen nanodiske ved høje temperaturer og viser, at der kan være selv-hybridisering i form af termiske magnetoplasmoner i sådanne systemer. Vi foreslår derefter at bruge sådanne magnetooptiske grafen nanodiske i en Salisbury-skærm, hvilket kan bruges som en chiral perfekt absorber og en chiral termisk emitter.

For at beskrive kvanteemittere i nanofotoniske miljøer introducerer vi makroskopisk kvanteelektrodynamik. Dette bruger vi til at udforske kvanteelektrodynamiske korrektioner i kvanteemittere i miljøer med tab. Vi gør dette ved at undersøge den spontane emissionsforøgelse og den fotoniske Lamb-skift i sådanne emittere. Udover den klassiske og lokale respons af metalliske nanostrukturer anvender vi overfladeresponsfunktionsformalismen til at korrigere den lokale respons af guld nanostrukturer. Her udleder vi analytiske udtryk for, hvordan disse ikke-lokale og kvantemekaniske korrektioner påvirker emissions-egenskaberne af nærliggende kvanteemittere. Vi viser, at disse korrektioner er store, når man undersøger tynde guldskaller eller guldfilm, og når guldmediet grænser op til højindeks dielektriske stoffer. Derefter placerer vi en kvanteemitter tæt på gyrotropt grafen, hvor vi ser, at Shubnikov-de-Haas-oscillationerne, der er til stede i den optiske respons af magnetooptisk grafen, afspejles i Purcell-forstærkningsfaktoren for kvanteemittere tæt på et magnetooptisk grafenark. Vi udvikler derefter de numeriske og semi-analytiske metoder, som vi bruger til at finde den optiske respons af nanostruktureret gyrotropt grafen i form af nanobånd og nanodiske til dipoler i det kvasistatiske regime. For kvanteemittere tæt på et gyrotropt grafen nanobånd viser vi, at der er en stor forskel mellem Purcell-faktoren af en højrehånds cirkulært polariseret dipol og en venstrehånds cirkulært polariseret dipol. For en cirkulært polariseret dipol tæt på et nanobånd viser vi også kontrollerbar og ensrettet emission ind i grafenbåndet, hvilket er af interesse som bølgeledere i kvantenetværk, og som et chiralt system. Endelig viser vi også, at der er en stærk chiral emission fra cirkulært polariserede dipoler tæt på gyrotrope grafen nanodiske. Ved at betragte et drevet system bestående af et to-niveau atom over et isotropisk grafenark viser vi, at dette system udviser bistabilitet og elektro-optisk hysteresis i atomets populationsdynamik. Dette er udledt inden for en semi-klassisk formalisme, og vi viser, at bistabiliteten kan observeres i fænomener såsom resonans fluorescens af det lys, der spredes af atomet, samt fotonstatistikken af det udsendte lys.