Ιδιότητες και εφαρμογές συζευγμένων κβαντικών-πλασμονικών νανοδομών

Abstract

During the last decades, plasmonic nanostructures have attracted a lot of atten-tion due to the fact that enable strong confinment of light on their surfaces. As aresult, it is possible to use a plasmonic nanostructure in order to achieve strong light-matter interaction between a quantum emitter, which is placed at some distance fromits surface, and the local electromagnetic field. In this thesis we analyze the spon-taneous emission dynamics of a two-level quantum emitter located near a plasmonicnanosphere, or a two-dimensional molybdenum disulde (MoS2) nanodisk, by com-bining quantum dynamics beyond the Markovian and the rotating-wave approxima-tion with classical electromagnetic calculations. Using emitters with free space decaytimes in the picosecond to nanosecond time regime, we examine for which distancesbetween the emitter and the nanostructure the non-Markovian phenomena emerge. Next, we assume two initially entangled qubits, each one interacting locally and in-dependently on the other with a plasmonic nanosphere, or a MoS2 nanodisk, and weshow that the entanglement dynamics of this composite system may present strongnon-Markovian effects. We observe that entanglement dynamics for qubits close toMoS2 nanodisks present a much stronger non-Markovian character in comparison tothe case we use plasmonic nanostructures. However, since quantum entanglement is not the one and only type of quantum correlations, we use quantum discord inorder to quantify all the quantum correlations of our composite two qubit system, and working in the same way as for the entanglement, we find interesting phenom-ena during its time evolution. After that, we consider the same two qubit systemas before, but now we assume that each qubit is located next to a two-dimensionalarray of metal coated dielectric nanoparticles. Now, we assume two different casesfor the qubits; we consider two identical two-level systems or two identical degenerateV-type systems. Since the presence of the periodic plasmonic nanostructure leads tohighly suppressed spontaneous emission rates of each individual quantum system, aswell as to quantum interference induced by the anisotropic Purcell effect, then thetime evolution of entanglement is signicantly prolonged for several orders.

Κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών, οι πλασμονικές νανοδομές έχουν κεντρίσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας λόγω του ότι μπορούν να παγιδεύσουν το φως στην επιφάνειά τους. Ως αποτέλεσμα, είναι δυνατό να χρησιμοποιήσουμε τις πλασμονικές νανοδομές για να επιτύχουμε ισχυρή αλληλεπίδραση ύλης-φωτός μεταξύ ενός κβαντικού εκπομπού, ο οποίος τοποθετείται δίπλα σε μία τέτοια νανοδομή, και του τοπικού ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Σε αυτή τη διατριβή αναλύουμε τη δυναμική της αυθόρμητης εκπομπής ενός κβαντικού εκπομπού ο οποίος τοποθετείται δίπλα σε μία πλασμονική νανοδομή ή σε ένα νανοδίσκο διθειούχου μολυβδαινίου (MoS2) συνδυάζοντας ηλεκτρομαγνητικούς υπολογισμούς με κβαντικούς υπολογισμούς πέρα από τη Μαρκοβιανή προσέγγιση καθώς και πέρα από την προσέγγιση του περιστρεφόμενου κύματος (rotating-wave approximation ή αλλιώς RWA). Χρησιμοποιώντας εκπομπούς με χρόνο αυθόρμητης εκπομπής στην περιοχή των πικοδευτερολέπτων με νανοδευτερολέπτων στον κενό χώρο, εξετάζουμε για ποιες αποστάσεις μεταξύ των εκπομπών και των νανοδομών εμφανίζονται φαινόμενα μη-Μαρκοβιανής συμπεριφοράς. Στη συνέχεια, θεωρούμε δύο αρχικά σύμπλεκτους πανομοιότυπους κβαντικούς εκπομπούς δύο επιπέδων (qubits), όπου ο καθένας αλληλεπιδρά τοπικά και ανεξάρτητα από τον άλλο με μία πλασμονική νανοδομή ή με έναν νανοδίσκο MoS2, και βρίσκουμε ότι η δυναμική της σύμπλεξης εμφανίζει ισχυρά μη-Μαρκοβιανά φαινόμενα. Σημειώνουμε ότι η σύμπλεξη για qubits δίπλα σε νανοδίσκους MoS2 εμφανίζει σημαντικά ισχυρότερο μη-Μαρκοβιανό χαρακτήρα σε σχέση με την περίπτωση που στη θέση τους χρησιμοποιούμε πλασμονικές νανοδομές. Ωστόσο, η σύμπλεξη δεν είναι ο μοναδικός τύπος κβαντικών συσχετίσεων που υπάρχει στο σύνθετο σύστημά μας. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούμε το quantum discord (QD), το οποίο εκτός από τη σύμπλεξη περιλαμβάνει και όλες τις άλλες κβαντικές συσχετίσεις του σύνθετου συστήματός μας. Δουλεύοντας για το QD με τον ίδιο τρόπο όπως και για τη σύμπλεξη, βρίσκουμε ενδιαφέροντα φαινόμενα κατά τη χρονική του εξέλιξη. Ύστερα, θεωρούμε και πάλι ένα σύνθετο σύστημα αποτελούμενο από πανομοιότυπα qubit, αλλά τώρα, κάθε qubit τοποθετείται δίπλα σε μία δισδιάστατη πλασμονική νανοδομή αποτελούμενη από διηλεκτρικές σφαίρες με μεταλλικό περίβλημα. Τώρα, θεωρούμε δύο διαφορετικές περιπτώσεις για τα qubit: θεωρούμε δύο πανομοιότυπα qubit δύο επιπέδων ή δύο πανομοιότυπα V-συστήματα με εκφυλισμένες τις διεγερμένες στάθμες τους. Εφόσον η παρουσία της περιοδικής πλασμονικής νανοδομής καταστέλλει έντονα το ρυθμό αυθόρμητης εκπομπής του εκάστοτε κβαντικού συστήματος, καθώς επίσης οδηγεί στην εμφάνιση του ανισοτροπικού φαινομένου Purcell, αυτό έχει ως αποτέλεσμα η χρονική εξέλιξη της σύμπλεξης να παρατείνεται για αρκετές τάξεις μεγέθους.