aalto1 untyped-item.component.html
Topological effects in plasmonic lattices
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2025-10-24
Electronic archive copy is available via Aalto Thesis Database.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
100 + app. 99
Series
Aalto University publication series Doctoral Theses, DT 153/2025
Abstract
In this thesis, we study two different aspects of topology in photonics: global and local. Global topology, also known as band topology, considers topological invariants that are obtained by integrating over the full Brillouin zone. Local topology considers topological defects, or vortices, which in photonics are associated with bound states in the continuum characterized by a topological charge, which is the winding number of the electric field. These two lines of research have started to merge only recently. Here we apply group theory, a field of mathematics focused on the systematic analysis of symmetries, to further the study of topological defects and their connection to band topology.
In Publication II, group theory is used as a design tool to engineer topologically nontrivial bands. Our proposed method allows for the generation of bands with almost arbitrary combinations of topological defects. Additionally, the method is extendable to vector formalism and long-range interactions.
In Publications I, III and IV, we study lasing from plasmonic lattices. In Publication I, we start with a typical plasmonic square lattice, from which particles are systematically removed so that a new superperiod emerges. We observe lasing at new angles and use the empty-lattice approximation to explain this behavior.
In Publication III, we study lasing from a hexamer lattice and observe that when the size of the hexamer, a collection of six nanoparticles in a hexagonal pattern, is changed, the topological charge measured from lasing changes. To explain this, we perform simulations using the Multiple Scattering T-Matrix method in conjunction with symmetry analysis, and find that the Ohmic losses in the plasmonic nanoparticles play a significant role in determining the lasing mode.
Publication IV combines ideas from Publication I and III to formulate a recipe for realizing lasing in plasmonic lattices with almost arbitrary topological charges. To demonstrate the method, we generate 8, 10, and 12-fold rotationally symmetric quasicrystals that lase with topological charges as high as 19.
Väitöskirjassani tutkin valon topologisia ilmiöitä, jotka voidaan karkeasti jakaa kahteen ryhmään. Ensimmäinen ryhmä käsittelee globaaleja topologisia ilmiöitä, jotka juontavat ominaistilojen epätriviaalista geometriasta. Näitä kuvataan topologisilla invarianteilla, kuten Chernin luvulla tai Zakin vaiheella. Toinen ryhmä käsittelee paikallista topologiaa ja topologisia defektejä, kuten pyörteitä ja singulariteetteja. Valon tapauksessa nämä vastaavat tiloja jotka eivät säteile johtuen sähkökentän kiertymästä, joten ne ovat sidottuja tiloja jatkumossa. Näihin on liitettävissä topologinen varaus eli sähkökentän kierrosluku.
Julkaisussa II tutkimme yhteyksiä topologisten invarianttien ja topologisten varausten välillä. Hyödyntämällä matemaattista ryhmäteoriaa sekä symmetria-analyysiä kehitämme mallin, jolla voimme luoda energiavöitä joilla on liki mielivaltainen yhdistelmä singulariteetteja ja topologisia varauksia. Mallilla voidaan kuvata myös vektorikenttiä. Lisäksi, se perustuu kytkentöihin reaaliavaruudessa, joiden kantama on säädettävissä. Tämä mahdollistaa tiukasti- että säteillen kytkettyjen rakenteiden tutkimisen.
Julkaisuissa I, III sekä IV tutkimme laserointia plasmonisista hiloista. Julkaisussa I käyttämämme rakenne perustuu neliöhilaan, josta on systemaattisesti poistettu osa hiukkasista. Tämä luo uuden hilan, jolla on suuri yksikkökoppi, mikä mahdollistaa laseroinnin uusiin kulmiin. Analyysi tehdään tyhjän hilan approksimaatiota hyödyntäen.
Julkaisussa III tutkimme laserointia heksamereista, eli kuuden nanohiukkasen muodostamista kuusikulmioista, koostuvasta kolmiohilasta. Havaitsemme, että mitattu topologinen varaus muuttui heksamerien koon funktiona. Rakennetta simuloidaan monisironta T-matriisi menetelmän avulla, mikä paljastaa riippuvuuden metallisten nanohiukkasten ja Ohmisten häviöiden välillä. Tila, jolla on alhaisimmat häviöt laseroi.
Julkaisu IV yhdistää julkaisun I energiavyöanalyysin julkaisun III Ohmisiin häviöihin. Näistä aineksista luomme reseptin, jolla on mahdollista saavuttaa laserointi tiloissa, joilla on liki mielivaltainen topologinen varaus. Osoittaaksemme reseptin pätevyyden suunnittelemme rakenteita, joilla on 8-, 10- ja 12-kertaiset kiertosymmetriat. Tuotetuista lasersäteistä mittaamme topologisia varauksia, joiden suuruudet yltävät yhdeksääntoista asti.
Description
Supervising professor
Törmä, Päivi, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandThesis advisor
Salerno, Grazia, Dr., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland /Università di Pisa, ItalyOther note
Parts
- [Publication 1]: Rebecca Heilmann, Kristian Arjas, Tommi K. Hakala and Päivi Törmä. Multimode Lasing in Supercell Plasmonic Nanoparticle Arrays. ACS Photonics, 10(11), 3955-3962, October 2023.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202401041075DOI: 10.1021/acsphotonics.3c00761 View at publisher
- [Publication 2]: Kristian Arjas, Grazia Salerno and Päivi Törmä. Topological invariants and topological charges in photonic systems. Submitted to Physical Review B, arXiv:2508.03302, August 2025.
DOI: 10.48550/arXiv.2508.03302 View at publisher
- [Publication 3]: Grazia Salerno, Rebecca Heilmann, Kristian Arjas, Kerttu Aronen, Jani-Petri Martikainen and Päivi Törmä. Loss-Driven Topological Transitions in Lasing. Physical Review Letters, 129(17), 173901, July 2022.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202211306716DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.173901 View at publisher
- [Publication 4]: Kristian Arjas, Jani Matti Taskinen, Rebecca Heilmann, Grazia Salerno and Päivi Törmä. High topological charge lasing in quasicrystals. Nature Communications, 15(1), 9544, November 2024.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202411267443DOI: 10.1038/s41467-024-53952-5 View at publisher