Coherent control of nonlinear optical processes in individual nanoparticles
Authors:   , Accanto Nicolò 
Published: October 2023

Nanophotonics aims to understand and control the interaction of light-matter at the nanometer scale. Boosted by the development of nanotechnology and nanofabrication, nanophotonics is a thriving research field, with applications in areas as diverse as optical communications, biological imaging, super-resolution microscopy and photovoltaics. For the design of specific structures and the development of new applications, it is vital to study and understand the basic ultrafast dynamical interactions of light with individual nanoparticles (NPs).
The practical realization of experiments in which single nanoparticles are addressed with temporal resolution on the femtosecond scale is very demanding. The first goal of this thesis is to develop a robust and easy to operate experimental scheme, based on the combination of ultrashort phase-controlled laser pulses and high-resolution optical microscopes, which allows the desired ultrashort laser pulses to be delivered to localized nanometric volumes.
Not only do we need to observe, but also to manipulate ultrafast light-matter interactions at the nanoscale by using precisely tailored laser fields, a concept that is often referred to as coherent control. The main goal of the thesis is to extend coherent control concepts, so far mainly applied to ensembles of systems, to the manipulation of ultrafast light-matter interactions in individual nanoparticles. Experimentally, this is realized by using ultrashort laser pulses, whose spectral phase can be precisely controlled, and measuring nonlinear optical responses from individual nanoparticles.
The NPs investigated in this thesis can be divided into two categories: coherent and incoherent NPs. Coherent NPs present an intrinsic resonant response, in amplitude and phase, which can be resolved and controlled by the laser field. Resonant plasmonic nanoantennas constitute the main example of coherent NPs studied in the thesis. Incoherent NPs can be either non-resonant, or characterized by a very broad (much broader than the laser spectrum) resonance. Dielectric nonlinear NPs and semiconductor quantum dots (QDs) with broad absorptions are the incoherent NPs addressed here. Incoherent NPs are of crucial importance in this thesis. Based on the second harmonic generation (SHG) from incoherent dielectric NPs, a novel method to obtain full control of ultrashort pulses on a sub-diffraction-limited area is demonstrated. Successively, by using
single semiconductor QDs and a novel optimization algorithm, a closed loop coherent control scheme capable of addressing single molecules and quantum emitters is realized and tested.
Nonlinear interactions in plasmonic nanoantennas, depend both on the laser field and on their resonant response. Two different nonlinear responses, excited by ultrashort phase-controlled pulses, are studied: the SHG and the two-photon absorption (TPA). By studying the SHG, a precise measurement of the plasmon resonance in nanoantennasis performed,
retrieving both spectral phase and amplitude. By using phase control, the possibility of using plasmonic nanoantennas for an improved imaging technique based on multicolor second harmonic labels is discussed and demonstrated. By investigating the TPA process, the presence of a coherent regime, only accessible by ultrashort pulses, is demonstrated. Finally the realization of a highly sensitive closed loop coherent control experiment on single nanoantennas is presented.
The combined progress in nanotechnology and the ability discussed in this thesis to manipulate ultrafast nanoscale dynamics using light can lead the way towards new fascinating routes in the field of nanophotonics. The switching of light from one side to another of an asymmetric nanostructure, the selective investigation of different NPs at different times, the realization of super-resolution optical microscopy with femtosecond temporal resolution, are just few of the promising applications

La nanofotónica se ocupa del estudio de las interacciones entre la luz y la materia en la escala nanométrica. Impulsada por el enorme progreso en la nanotecnología, la nanofotónica se ha convertido en un campo de investigación muy próspero, con aplicaciones en la comunicación óptica, la microscopía de superresolución y la fotovoltaica. Las interacciones fundamentales entre luz y nanopartículas individuales tienen que ser estudiadas con el fin de desarrollar nuevas aplicaciones y diseñar mejores estructuras. Sin embargo, en la práctica, resulta difícil realizar experimentos que estudien nanopartículas individuales con alta resolución temporal. El primer reto de esta tesis es el desarrollo de un equipo experimental adecuado, basado en la combinación de pulsos láseres ultracortos controlados en fase y microscopios ópticos de alta resolución, que permita hacer llegar los correctos pulsos a las correctas áreas nanométricas. El objetivo de este trabajo no es solo observar, sino también controlar activamente las interacciones entre nanopartículas individuales y campos láseres precisamente diseñados. Este concepto se define normalmente como control coherente y ha sido hasta ahora principalmente aplicado a los estudios de conjuntos de átomos, moléculas y nanopartículas. El objetivo principal de este estudio es extender el control coherente a la manipulación de las interacciones ultrarrápidas entre la luz y nanopartículas individuales. En los experimentos descritos, esto se consigue utilizando pulsos ultrarrápidos controlados en fase y detectando procesos ópticos no-lineales en nanopartículas individuales. Las nanopartículas (NPs) estudiadas en esta tesis se pueden dividir en dos categorías: NPs coherentes e incoherentes. Las NPs coherentes presentan resonancias que pueden ser medidas y controladas por el campo láser. Las nanoantenas plasmónicas constituyen el ejemplo principal de NPs coherentes estudiadas en esta tesis. Las NPs incoherentes pueden ser no resonantes o caracterizadas por resonancias espectralmente muy anchas (más anchas que el espectro láser). Las NPs incoherentes estudiadas son las NPs dieléctricas y los puntos cuánticos de semiconductores con espectros de absorción muy anchos. Las NPs incoherentes son de importancia fundamental. El método desarrollado en esta tésis que permite controlar pulsos ultracortos en áreas nanométricas se basa en la detección del segundo armónico producido por NPs dieléctricas. Así mismo, utilizando puntos cuánticos individuales y un novedoso algoritmo de optimización, se realiza un experimento de control coherente capaz de manipular incluso moléculas individuales a temperatura ambiente. Las interacciones no-lineales en nanoantenas plasmónicas dependen del campo láser y también de sus resonancias. En esta tesis se estudian dos tipos de procesos no-lineales en nanoantenas utilizando pulsos ultracortos controlados en fase: la generación de segundo armónico (SHG) y la absorción de dos fotones (TPA). Estudiando el SHG se demuestra que: las componentes de fase y amplitud de las resonancias plasmónicas pueden ser medidas con precisión y que las nanoantenas pueden utilizarse como marcadores de SHG para realizar una técnica novedosa de imágenes biológicas. Finalmente, estudiando la TPA, se demuestra la presencia de un régimen coherente accesible por pulsos ultracortos y se realiza un experimento de control coherente de elevada sensibilidad en nanoantenas individuales. Combinando el progreso en la nanotecnología y la capacidad de manipular procesos ultrarrápidos en la escala nanométrica utilizando campos láseres, se pueden observar nuevos e interesantes fenómenos en la nanofotónica. Desplazar la luz de un sitio a otro de una nanoestructura, estudiar selectivamente diferentes NPs en distintos instantes, realizar microscopía de superresolución con alta resolución temporal, son algunas de las posibles aplicaciones.