Controlling the multipolar interference of nanoantennas
Authors:   , Hancu Ion Michael 
Published: October 2023

The emission and detection of light is a main pillar of both fundamental research and the
advancement of modern technologies. From digital communications and quantum computing
to novel cancer treatments and faded jeans, light-matter interactions are at the core of each of
these things, and the fundamental building block of nearly every one of these interactions is
the electric dipole. The emission and absorption from every molecule, atom, quantum dot and
semiconductor is predominantly electric dipole by nature. While it is the most efficient, fastest, brightest, and easiest to understand process, it is not the only process by which light can be emitted and absorbed; magnetic dipoles, electric quadrupoles, and more, all exist in nature.
Optical nanoantennas are the basic element for efficient interfacing between photons and single photon emitters, as they address the inherent size mismatch between the physical
size of the emitters and the much larger wavelength of light with which they interact. Optical
nanoantennas are also generally electric dipole in nature, as their fundamental resonance is that of an oscillating positive and negative charge. However, unlike nature, these antennas can be engineered to promote higher order modes so that non-electric dipole resonances are not the only contributor.
The topic of this Thesis is the control of light emission through modes beyond the electric dipole, both from single emitters coupled to optical nanoantennas and from the emission of light directly from the antennas themselves. In the Introduction, we provide an overview of basic antenna theory, and in Chapter 1, we describe the experimental and theoretical methods used throughout this Thesis. In Chapter 2, we direct light emission from a quantum dot coupled to a two-dimensional antenna excited at a higher-order mode, and represent its emission pattern with a multipole expansion. To demonstrate the importance of a characteristic of light unavailable to spontaneous emission, its phase, we measure the angular emission patterns of second harmonic generation directly from single nanoantennas in Chapter 3, and once more model its patterns with the multipole model. In Chapter 4, we delve into the second harmonic generation from a crystalline semiconductor, and detect competing second order nonlinear processes that were not present in the previous chapter. Finally, in Chapter 5 we combine the previous three chapters and design an optical nanoantenna, which through two nonlinear processes that coexist when driven in a higher-order mode, radiates its second harmonic unidirectionally, with a switchable emission direction.
The results in this Thesis demonstrate that not only can optical nanoantennas control
light emission from single emitters, but that when they are also the emitters themselves we can actively switch the direction in which light is emitted. With this change in paradigm, we now have a new lever with which to tailor the emission of light at the nanoscale. This coherent control of light emission has potential applications in any technology that benefits from higher light-matter interaction efficiencies, and particularly those that require coherence

L'emissió i detecció de la llum és un pilar principal tant de la investigació fonamental com de l'avanç de les noves tecnologies. Des de les comunicacions digitals i la computació quàntica fins als nous tractaments del càncer i els texans degradats, les interaccions llum-matèria són el nucli de cadascuna d'aquestes qüestions, i el component fonamental de gairebé totes aquestes interaccions és el dipol elèctric. L'emissió i l'absorció de totes les molècules, àtoms, punts quàntics i semiconductors és predominantment de dipol elèctric per naturalesa. Si bé és el procés més eficient, ràpid, brillant i fàcil d'entendre, no és l'únic procés pel qual la llum pot ser emesa i absorbida; dipols magnètics, quadrupols elèctrics i molts més existeixen a la natura. Les nanoantenes òptiques són l'element bàsic per a una interfície eficient entre fotons i emissors de fotons individuals, ja que s'ocupen de la disparitat inherent entre la mida física dels emissors i la major longitud d'ona amb la qual interactuen. Les nanoantenes òptiques generalment són també un dipol elèctric, ja que la seva ressonància fonamental és la d'una càrrega positiva i negativa oscil·lant. Tanmateix, a diferència de la naturalesa, aquestes antenes es poden dissenyar per promoure modes d'ordre superior, de manera que les ressonàncies dipolars no elèctriques no siguin l'únic contribuent. El tema d'aquesta tesi és el control de l'emissió de llum a través de modes que no siguin de tipus dipol elèctric, tant d’emissors individuals acoblats a nanoantenes òptiques com de l'emissió de llum directament des de les pròpies antenes. A la Introducció, oferim una descripció general de la teoria bàsica de nanoantenes, i al Capítol 1 descrivim els mètodes experimentals i teòrics utilitzats al llarg d'aquesta tesi. En el Capítol 2, dirigim l'emissió de llum a partir d'un punt quàntic acoblat a una antena bidimensional excitada a un mode d'ordre superior, i representem el seu patró d'emissió amb una expansió multipolar. Per demostrar l'importància d'una característica de la llum no disponible a l'emissió espontània, la seva fase, mesurem els patrons angulars d'emissió de la generació de segon harmònic directament des de nanoantenes individuals en el Capítol 3. En el Capítol 4, aprofundim en la generació de segon harmònic a partir d'un semiconductor cristal·lí, i detectem processos no lineals de segon ordre competidors que no estaven presents al capítol anterior. Finalment, al Capítol 5, combinem els tres capítols anteriors i dissenyem una nanoantena òptica, que a través de dos processos no lineals que coexisteixen quan s'excita en un ordre d'ordre superior, emet el seu segon harmònic de forma unidireccional, amb aquesta direcció d'emissió sent invertible. Els resultats d'aquesta Tesi demostren que no només les nanoantenes òptiques controlen l'emissió de llum d'emissors individuals, sinó que quan elles mateixes són els emissors, podem canviar activament la direcció en què s'emet la llum. Amb aquest canvi de paradigma, tenim una eina nova per controlar l'emissió de llum a la nanoescala. Aquest control coherent de l'emissió de llum té aplicacions potencials en qualsevol tecnologia que es vulgui beneficiar d'una major eficiència en la interacció de la llum-matèria, i en particular d'aquelles que requereixen coherència.