Electronic and photonic excitations in graphene nanostructures and hybrid systems
Creators: name: Müller, Marvin Martin
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022

description: Plasmonische Resonanzen in photonischen Nanoantennen erlauben eine beispiellose Verstärkung und örtliche Konzentrierung elektrischer Felder und finden vielseitige Anwendungen in der Nanotechnologie. Viele Jahre waren die Edelmetalle die Treiber der Nanoplasmonik. In letzter Zeit erfreuen sich aber vor allem niedrigdimensionale Werkstoffe zunehmender Beliebtheit als plasmonische Materialien. Vor allem die einzigartige Bandstruktur von zweidimensionalem Graphen bietet die Möglichkeit, Resonanzen auch nach der Herstellung der Struktur durch elektrisches Dotieren oder optisches Pumpen spektral zu verschieben. Neben Graphen diskutieren wir in dieser Arbeit im Rahmen des Su-Schrieffer-Heeger-Modells (SSH) zudem eindimensionale Polyen- und Polyacetylen-Moleküle, um konzeptionelle Einblicke in die Wesensart optischer Moden in Nanoantennen zu erlangen. Nanoantennen verändern allein durch ihre Präsenz die lokale photonische Umgebung und beeinflussen die optischen Eigenschaften von Quantenemittern in der Nähe, z. B. deren spontane Emissionsraten oder Rabi-Oszillationen. Zur Modellierung der optischen Eigenschaften hybrider Systeme, die aus Nanoantennen und Emittern bestehen, ist die führende Simulationsmethode die Dichtefunktionaltheorie. Sie ist jedoch sehr rechenintensiv und kann nicht auf Strukturen relevanter Größe angewandt werden. Um diese Beschränkung zu überwinden, entwickeln wir eine tight-binding-Methode (TB) im Zeitbereich, die die quantenoptischen Phänomene im Emitter und seine chemische Wechselwirkung mit der Nanoantenne beschreiben kann. In dieser Arbeit diskutieren wir zwei Probleme, die auftreten, wenn eine klassische Beschreibung für die oben beschriebenen Systeme nicht mehr anwendbar ist und stattdessen eine quantenmechanische Beschreibung erforderlich wird. Das erste Problem betrifft die TB-Simulationsmethodik hybrider Systeme, die aus einer Nanoantenne und einem adsorbierten Atom (Adatom) bestehen, das als Emitter fungiert. Der üblicherweise verwendete Purcell-Formalismus zur Modellierung solcher Systeme vernachlässigt allerdings elektronisches Tunneln zwischen der Nanoantenne und dem Adatom. Unsere Simulationen zeigen, dass sich unter Berücksichtigung dieses Wechselwirkungskanals die optischen Eigenschaften des Systems maßgeblich verändern. Sowohl die Wechselwirkungsstärke zwischen Adatom und Nanoantenne, als auch deren relative Position sind hierfür entscheidend. Wir finden zwei qualitativ verschiedene Wechselwirkungs-Regime, wenn das Adatom am Rand oder an den Mittelteil der Nanoantenne gekoppelt wird. Umgekehrt ändern sich auch die dem Adatom zugehörigen Phänomene. Insbesondere beobachten wir eine Reduzierung sowohl der spontanen Emissionsrate, als auch der Rabi-Frequenz optischer Übergänge im hybriden Gesamtsystem. Die zweite Problematik behandelt die Frage, was ein Plasmon in Nanosystemen wirklich ist. Wir zeigen auf, dass es in der Literatur verschiedene Konzepte für plasmonische Resonanzen gibt. Die meisten stützen sich bei ihrer Definition auf die induzierte Ladungsverteilung der Resonanz oder auf die Anzahl der beteiligten Ein - Teilchen - Übergänge. Unser Beitrag zu dieser wissenschaftlichen Diskussion, der energy-based plasmonicity index (EPI), klassifiziert eine Resonanz anhand der Zeitentwicklung der Kohärenzen im Dichteoperator des Systems, ausgewertet im Energie-Raum. Der EPI wird hier eingeführt, validiert und auf SSH-Ketten und Graphen-Nanoantennen angewandt. Wir stellen fest, dass der EPI Klassifikationsergebnisse liefert, die mit jenen der Coulomb-Skalierungs-Methode übereinstimmen. Der generalized plasmonicity index, welcher auf Auswertungen im Ortsraum basiert, liefert allerdings keine deckungsgleichen Resultate. Der EPI ergänzt daher die bestehenden Klassifizierungsmethoden und hilft, bisher wenig beachtete Aspekte plasmonischer Resonanzen in den Mittelpunkt zu rücken.