Kırılma indisi güçlendirilmiş plazmonik aygıtlarda ışık yayılımı
Pulse propagation on index-enhanced plasmonic devices
Yazar: ELİF ÖZTÜRK
Danışman: PROF. DR. MEHMET EMRE TAŞGIN ; DR. ÖĞR. ÜYESİ RASİM VOLGA OVALI
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Metal nanoparçacıkların (MNP) sahip olduğu optik özellikler, temelde lokalize yüzey plazmon rezonanslarıyla belirlenmektedir. Bir MNP'de, lokalize olmuş yüzey plazmonlarının frekansı; partikülün boyutu, geometrisi ve bulunduğu yerel ortamın kırılma indisine bağlıdır. MNP'ler birbirine nanometre mesafesinde bulundukları koşullarda, nanoparçacık çevresinde lokalize olmuş sıcak noktalar (hot spot) oluşur. Plazmonik sıcak noktalar, özellikle optik alanlarda önemli rol oynar. Örneğin, plazmonik sıcak noktaların oluştuğu metal yüzeyler, ışık yolculuğu sırasında ışık dalgalarının yoğunlaştırılmasına ve güçlenmesine neden olabilir. Plazmonik sıcak noktaların oluşumu, metal yüzeylerin şekline ve yapısına bağlıdır. Özellikle, metal yüzeylerin düzgün ve simetrik olması, plazmonik sıcak noktaların oluşumunu kolaylaştırır. MNP'ler bu sıcak noktalar aracılığıyla birbirleri ile etkileşebilirler. Bu etkileşimler, polarizasyon, duyulgunluk ve indis değişimi gibi birçok etkiye neden olmaktadır. Kırılma indisinin başka (yardımcı) bir ışık ile kontrol edilmesi, tüm fotonik teknolojilerini değiştirecektir. Bu tezde, böyle bir ortamda ışık yayılımı hem analitik hem de FDTD (finite difference time domain metodu) ile incelenmiştir. Bu tür bir inceleme sadece bu tarz fotonik cihazlarda ışık yayılımının örneklenmesi amacını içermemektedir. Aynı zamanda, bu tür bir sistemde gözlemlenebilecek yavaşlatılmış ışık (slow light) fenomeninin incelenmesi amaçlanmıştır. Yavaşlatılmış ışık konusu fotonik kristallerle daha önceden çalışılmış olup fotonik kristallerin fotonik bant aralığının bilinçli kusurlarla değiştirilmesi tekniğine dayanmaktadır. Ancak bu çalışmalar fotonik kristallerle yapıldığından hem değişimler çok küçük olmakta hem süreç çok hassasiyet istemekte ve aynı zamanda tersinir olmamalarından dolayı düşük proses verimliliğine götürmektedir. Plazmonik teknolojisi bu konudaki en etkili çözümü sunmaktadır. Bahsi geçen sistem sadece indeks güçlendirmesini değil, aynı zamanda sıfıra-yakın-epsilon (epsilon-near-zero, ENZ), yani indeksi sıfıra yakın, malzemeleri de incelemeyi vaadetmektedir. MNP yapısını değiştirmeden kontrol ışığı ile hem arttırılmış indeks hem de sıfıra-yakın-indeks elde edilebilmektedir. Literatürde çalışmaları oldukça kısıtlı olan bu alanda değişen senaryolarla birlikte elde edilen verilerin daha sonra oluşturulacak çalışmalar için temel oluşturma etkisi bulunmaktadır. Bu çalışmayla birlikte, gümüş nanocubuklarda plazmonik etkiyle birlikte değişen kırma indisinin hem sonlu fark zaman alanı metoduyla hem de analitik olarak çözümü incelenmiştir. Bu sayede gümüş nanocubuklarla kurulan bu sistemde değişen kırma indisiyle birlikte değişen grup hızları incelenmiştir. Tez kapsamında yapılan analitik temelli ve simülasyon temelli çalışmalar sayesinde birbiriyle tutarlı ve anlamlı sonuçlar elde edilmiştir. Çalışmalar yardımcı bir ışık yardımıyla tüm bunların yapılabileceği gösterilmiştir. Şaşırtıcı ve değerli olan kontrol (Ex) kaynağının normal şartlarda sinyalin (Ey) polarizasyonu üzerinde bir etkisi olamayacak konumda olmasına rağmen sinyal (Ey) üzerinde değişiklik yaratmasıdır. Bunun nedeni direkt olarak kontrol (Ex); y eksenli rodun uzun eksen uçlarındaki polarizasyona katkı vermemesine rağmen sıcak noktada meydana gelen değişimin indirekt olarak sinyal (Ey) üzerindeki etkisidir. Simülasyon ilk olarak, sinyal ve kontrol kaynaklarının genliklerinin oranlarının 1 olduğu durumda incelenmiştir. Devamında ise farklı genlik oranları kullanılıp (1, 10, 100, 200) sistemin sıcak nokta çevresindeki tepkisi incelenmiştir. Buradaki incelemelerde kontrol kaynağın değişen genliğiyle kontrole dik olan sinyal kaynağıyla aynı yönde polarizasyon değişimi gözlemlenmiştir. Normal şartlarda kontrol kaynağındaki genlik değişiminin sinyalle aynı yönlü polarizasyonda bir değişim yaratması beklenmemektedir. Ancak eşleşme (coupling) dolayısıyla sinyal kaynağı sabit olduğu durumda dahi değişen kontrol genliğinin sinyal kaynağıyla aynı yönlü polarizasyona katkı sağladığı gözlenmiştir. Anormal dispersiyon, ESY ve diğer parametrelerin tamamının gözlenmesi tamamen bu etkiden kaynaklanmaktadır. Birbiriyle tutarlı olan bu çalışma neticesinde ilerde yapılabilecek deneysel çalışmalara temel oluşturulmuştur.

Abstract:
The optical properties of metal nanoparticles (MNPs) are primarily determined by localized
surface plasmon resonances. In MNP, the frequency of localized surface plasmons
depends on the particle size, geometry, and the refractive index of the surrounding local
medium. When MNPs are in close proximity, localized hot spots emerge around the
nanoparticle, and these plasmonic hot spots play a crucial role, particularly in optical
fields. Metal surfaces where plasmonic hot spots occur can lead to the concentration and
enhancement of light waves during the journey of light.
The formation of plasmonic hot spots is contingent upon the shape and structure of metal
surfaces, with smooth and symmetric surfaces facilitating their creation. MNPs can interact
with each other through these plasmonic hot spots, resulting in various effects such as
polarization, sensitivity, and refractive index changes. The ability to control the refractive
index with another (auxiliary) light can revolutionize all photonic technologies.
This thesis investigates light propagation in such an environment using both analytical and
FDTD (finite difference time domain) methods. This examination goes beyond illustrating
light propagation in such photonic devices; it also aims to explore the phenomenon of slow light that can be observed in such a system. The concept of slow light has been previously
explored with photonic crystals, relying on deliberately altering the photonic bandgap of
these crystals through precise defects. However, these studies are limited by their dependence
on photonic crystals, requiring high precision and suffering from low process efficiency due
to their irreversible nature. Plasmonic technology offers a more effective solution in this
regard.
The discussed system not only promises index enhancement but also explores materials with
epsilon-near-zero (ENZ) indices, where the index approaches zero. It is possible to achieve
both increased index and near-zero index without altering the MNP structure using control
light. In this area with limited literature, the data obtained with varying scenarios in this
study will serve as a foundation for future research.
This study examines the analytical and simulation-based solutions for the changing refractive
index due to plasmonic effects in silver nanorods. This allows for the investigation of
changing group velocities along with the changing refractive index in the system established
with silver nanorods. The consistent and meaningful results obtained from both analytical
and simulation-based studies within the scope of the thesis provide a strong basis for future
experimental studies.
The research demonstrates that all of these effects can be achieved with the assistance
of auxiliary light. One surprising and valuable finding is that the control (Ex) source,
which would not have a direct impact on the polarization of the signal (Ey) under normal
circumstances, induces changes in the signal (Ey). This is due to the indirect influence of the
change in polarization at the hot spot, even though the control (Ex) does not contribute to the
polarization at the ends of the rod along the y-axis. This simulation first examined the case
where the amplitude ratios of the signal and control sources were 1. Subsequently, different
amplitude ratios (1, 10, 100, 200) were used, and the system's response around the hot spot
was investigated. In these examinations, a polarization change in the same direction as the
signal source, orthogonal to the control, was observed with the varying amplitude of the
control source. Under normal circumstances, a change in the amplitude of the control source would not be expected to induce a change in the polarization direction of the signal. However,
due to coupling, it was observed that even when the signal source is constant, the changing
amplitude of the control contributes to the polarization in the same direction as the signal.
The observed anomalous dispersion, ENZ, and other parameters are entirely attributed to this
effect. This internally consistent study lays the groundwork for future experimental studies.