G5 Artikkeliväitöskirja
Weak and strong coupling between organic molecules and confined light (2023)
Vangitun valon vahva ja heikko kytkeytyminen orgaanisiin molekyyleihin

Dutta, A. (2023). Weak and strong coupling between organic molecules and confined light [Doctoral dissertation]. University of Jyväskylä. JYU dissertations, 722. https://urn.fi/URN:ISBN:978-951-39-9835-6

JYU-tekijät tai -toimittajat

Dutta, Arpan

Julkaisun tiedot

Julkaisun kaikki tekijät tai toimittajat: Dutta, Arpan

eISBN: 978-951-39-9835-6

Lehti tai sarja: JYU dissertations

eISSN: 2489-9003

Julkaisuvuosi: 2023

Sarjan numero: 722

Kirjan kokonaissivumäärä: 1 verkkoaineisto (96 sivua, 116 sivua useina numerointijaksoina, 8 numeroimatonta sivua)

Kustantaja: University of Jyväskylä

Julkaisumaa: Suomi

Julkaisun kieli: englanti

Pysyvä verkko-osoite: https://urn.fi/URN:ISBN:978-951-39-9835-6

Julkaisun avoin saatavuus: Avoimesti saatavilla

Julkaisukanavan avoin saatavuus: Kokonaan avoin julkaisukanava

Tiivistelmä

Heikkokin vuorovaikutus orgaanisten molekyylien ja vangitun (confined) valon välillä voi vaikuttaa molekyylien kemialliseen vasteeseen, mutta se voi myös jopa muuntaa molekyylin kemiallisia ominaisuuksia, kun vuorovaikutusta kasvatetaan vahvan kytkennän alueelle. Näistä erityisesti jälkimmäinen, eli kemiallisten ominaisuuksien muokkaus on tärkeä ominaisuus, koska se voi mahdollistaa merkittävän kehitysloikan muun muassa orgaanisissa aurinkokennoissa, materiaalitieteissä sekä orgaanisen nanofotoniikan sovellutuksissa. Tiedeyhteisö käyttää optisia nanorakenteita vangitsemaan valoa. Tämä tutkielma keskittyy tällaisten rakenteiden optimointiin kyllin tehokkaan kytkennän aikaansaamiseksi, jotta kytkettyjen molekyylinen kemiallisiin ominaisuuksiin kyettäisiin vaikuttamaan. Tutkielma keskittyy kolmen tyyppisiin optisiin nanorakenteisiin: plasmonisiin-, fotonisiin- ja eksitonisiin. Työssä käytetyt laskennalliset ja kokeelliset menetelmät paljastavat, että heikon kytkennän rajalla pimeät (subradiant) plasmoniset värähtelymoodit metallisissa Fano-resonoivissa oligomeereissä sekä hiloissa voivat parantaa molekulaarista Raman vastetta, kun taas täysin heijastavalla pohjapeilillä varustetut metalliset Fabry-Pérot -tyyppiset kaviteetit kykenevät vahvistamaan molekyylien emissiota. Vahvan kytkennän rajalla vastaavanlaisia kaviteetteja voidaan käyttää luomaan hybridisoituneita valon ja materian superpositiotiloja polaritoneja, joilla voidaan muokata ultranopean fotokemiallisen reaktion kvanttisaantoa. Väitöskirjan tutkimus perehtyy myös täysin orgaanisiin nanorakenteisiin, jotka on valmistettu eksitonisilla molekyyleillä seostetusta polymeeriseoksesta. Löydökset osoittavat, että tällaisten rakenteiden optisia ominaisuuksia voidaan säätää seostuksessa käytettävän molekyylin konsentraatiolla ja, että heikon kytkennän alueella ne voivat tarjota yhtä hyvän tai jopa paremman keinon vangita valoa kuin vastaavat plasmoniset rakenteet. Useimmat tutkituista orgaanisista nanorakenteista eivät kuitenkaan pystyneet ylläpitämään vahvan kytkennän aikaansaamia polariton-tiloja, rajallisen spektraalisen toiminta-alueensa takia, mutta vahva kytkentä oli silti havaittavissa sen aiheuttaman läpinäkyvyyden kautta. Tutkielmassa esiin tulleet löydökset ovat merkittäviä uudenlaisten nanolaitteiden kehitystyössä ja edesauttavat ponnisteluissa kohti materiaaliominaisuuksien muokkaamista vahvan kytkennän avulla. Tämä tutkielma sisältää kuusi lukua, kuusi julkaistua artikkelia sekä kaksi esivedosta (preprint), jotka ovat parhaillaan vertaisarvioitavana.

YSO-asiasanat: valo; aine; vuorovaikutus; plasmoniikka; Raman-spektroskopia; polaritonit; väitöskirjat