Naslov Nelinearna plazmonika u grafenu
Naslov (engleski) Nonlinear plasmonics in graphene
Autor Marija Todorić
Mentor Marinko Jablan (mentor)
Član povjerenstva Marinko Jablan (predsjednik povjerenstva)
Član povjerenstva Hrvoje Buljan (član povjerenstva)
Član povjerenstva Mirko Planinić (član povjerenstva)
Član povjerenstva Mario Novak (član povjerenstva)
Član povjerenstva Ivica Smolić (član povjerenstva)
Ustanova koja je dodijelila akademski / stručni stupanj Sveučilište u Zagrebu Prirodoslovno-matematički fakultet (Fizički odsjek) Zagreb
Datum i država obrane 2016-09-15, Hrvatska
Znanstveno / umjetničko područje, polje i grana PRIRODNE ZNANOSTI Fizika
Sažetak Površinski plazmoni predstavljaju oscilacije površinskog naboja popraćene elektromagnetskim valom koji se propagira duž površine, a čija komponenta okomita na površinu eksponencijalno opada udaljavanjem od nje. Valna duljina površinskih plazmona mnogo je manja od valne duljine svjetlosti u zraku na istoj frekvenciji, tj. ispod difrakcijske granice, što omogućuje kontroliranje svjetla na nanometarskoj skali. Nedavno otkriveni materijal grafen podržava površinske plazmone čija se svojstva lako kontroliraju primjenom vanjskog napona povećavajući ili smanjujući koncentraciju slobodnih nosioca naboja. U usporedbi s konvencionalnim plazmonima na granici između metala i dielektrika, plazmoni u grafenu pokazuju slabija gušenja u THz području i veće zatočenje elektromagnetske energije na površini. Na visokim frekvencijama jedan kvant plazmona može pobuditi par elektrona i šupljine (Landauovo gušenje) što vodi na disipaciju energije plazmona. Ovaj je proces zabranjen na niskim frekvencijama zbog Paulijevog principa te je plazmon dugoživuće pobuđenje u grafenu. Ako pak pojačamo intenzitet plazmona, pojavljuje se mogućnost nelinearnih procesa i plazmon može gubiti energiju kroz proces višeplazmonske apsorpcije gdje nekoliko kvanata plazmona koherentno mogu pobuditi par elektrona i šupljine. Zanimljivo je da se nelinearni procesi u grafenu pojavljuju pri magnitudama električnog polja koje je nekoliko redova veličine manje nego polja koja zahtijevaju nelinearni procesi u standardnim atomskim medijima. Ovaj diplomski rad analizira ponašanje grafena u elektromagnetskom polju jakog intenziteta, čija je frekvencija dosta niža nego Fermijeva energija. Pokazujemo da se višeplazmonska apsorpcija tada može razumjeti kao kvazistatički proces tuneliranja elektrona između dviju vrpci. Nadalje, koristeći dugovalnu aproksimaciju, problem tuneliranja svodimo na LandauZener problem. Rezultirajuća disipacija plazmona nekoliko je redova veličine manja od iznosa koji se dobije putem računa višeplazmonske apsorpcije. Ovaj neočekivan rezultat može se razumjeti ako se napravi slična dugovalna aproksimacija za višeplazmonsku apsorpciju koja vodi na destruktivnu interferenciju i nestanka efekta višeplazmonske apsorpcije. Točan iznos disipacije energije plazmona u grafenu pri niskim frekvencijama ostaje otvoreno pitanje.
Sažetak (engleski) Surface plasmons represent collective oscillations of surface charges, accompanied by electromagnetic waves that propagate along the boundary surface and whose component perpendicular to the surface decays exponentially with distance away from it. The wavelength of surface plasmons is much smaller than the wavelength of the light in air at the same frequency; i.e. below the diffraction limit, which enables control of light at the nanoscale. A recently discovered material called graphene supports surface plasmons whose properties can be easily controlled by applying external gate voltage, thus increasing or decreasing the charge concentration. Compared with conventional surface plasmons at metal-dielectric interface, plasmons in graphene show lower losses in THz spectrum and greater confinement of the electromagnetic energy near the surface. At high frequencies a quantum of plasma oscillation can excite an electron-hole pair (Landau damping), resulting in energy dissipation. At low frequencies this process is forbidden due to the Pauli principle and the plasman is a long-lived excitation. If we increase the intensity of the plasman field, nonlinear processes may appear and plasman can lose energy through the process of multiplasmon absorption where two or more plasman quanta coherently excite an electron-hole pair. It is interesting that the nonlinear effects in graphene can be observed at fields that are several orders of magnitude weaker than the fields required to observe nonlinear processes in standard atomic media. This thesis analyses the behaviour of graphene in the field of strong electromagnetic wave whose frequency is much lower than the Fermi energy. We show that multiplasmon absorption can be understood as the quasistatic process of the electron tunneling between two bands. Furthermore, using the long-wavelength approximation the problem can be reduced to the Landau-Zener problem. The resulting plasman dissipation is several orders of magnitude smaller than the result obtained by calculating multiplasmon absorption. We can understand this unexpected result if we make a similar long-wavelength approximation far multiplasmon absorption, which leads to the destructive interference and disappearance of the effect. The exact amount of the dissipated plasman energy in graphene at low frequencies remains an open question.
Ključne riječi
grafen
nelinarna plazmonika
Ključne riječi (engleski)
graphene
nonlinear plasmonics
Jezik hrvatski
URN:NBN urn:nbn:hr:217:949294
Studijski program Naziv: Fizika; smjerovi: istraživački Smjer: istraživački Vrsta studija: sveučilišni Stupanj studija: integrirani preddiplomski i diplomski Akademski / stručni naziv: magistar/magistra fizike (mag. phys.)
Vrsta resursa Tekst
Način izrade datoteke Izvorno digitalna
Prava pristupa Otvoreni pristup Datum isteka embarga: 2017-07-15
Uvjeti korištenja
Datum i vrijeme pohrane 2017-03-05 12:33:21