Bose–Einstein condensation in plasmonic lattices

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.authorMoilanen, Antti J.
dc.contributor.departmentTeknillisen fysiikan laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Applied Physicsen
dc.contributor.labQuantum Dynamicsen
dc.contributor.schoolPerustieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Scienceen
dc.contributor.supervisorTörmä, Päivi, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.date.accessioned2021-09-03T09:00:12Z
dc.date.available2021-09-03T09:00:12Z
dc.date.defence2021-09-24
dc.date.issued2021
dc.descriptionDefense is held on 24.9.2021 12:00 – 16:00 Zoom, https://aalto.zoom.us/s/66523148736
dc.description.abstractPlasmonics is the study of the interaction between light and metallic structures at the nanoscale. This dissertation explores metallic nanostructures which enable coupling photons to the electrons in the metal, thereby confining light in space smaller than the wavelength. This allows for observing macroscopic quantum-coherent phenomena at room temperature, such as the first Bose-Einstein condensate made of light and electrons observed in this dissertation. The research focuses on periodic arrays (lattices) of gold nanoparticles that are overlaid with organic fluorescent molecules. The molecules can be excited optically by an external laser. The molecules emit photons into the lattice, exciting optical resonances supported by the array structure. When the concentration of molecules is sufficiently high, the lattice resonances can be strongly coupled with the molecules, which modifies the energy states of both. At strong coupling, the lattice resonances and the molecules form new type of quasiparticles with properties of both light and matter. The dissertation consists of five research articles. In Publication I, we introduce the first Bose-Einstein condesate in a plasmonic system. The condensate is formed at room temperature in a picosecond timescale. In Publication II, we achieve the first plasmonic Bose-Einstein condensate at the strong coupling regime. The strongly coupled condensate is 100000 times more luminous than the first plasmonic condensate. Due to the room temperature operation and high luminosity, the strongly coupled plasmonic condensate provides a promising platform for fundamental studies of condensates of light and also for possible applications, for example, in the fields of sensing and optical communications. In Publication III, we study spatial and temporal coherence of the strongly coupled plasmonic Bose-Einstein condensate in large arrays. The condensate studied in this work is half a millimeter long, making it reportedly the largest luminous condensate to date. In Publication IV, we report our observations on the phase and polarization properties of the strongly coupled plasmonic Bose-Einstein condensate. We observe a non-trivial phase distribution, which allows for creating different polarization textures. In Publication V, we present a new theoretical model for strongly coupled organic systems. With the new model we compute, for instance, lasing phase diagrams both at the weak and the strong coupling regime and pinpoint the origin of effective interactions in strongly coupled organic systems.en
dc.description.abstractPlasmoniikka on tieteenala, jossa tutkitaan valon vuorovaikutusta metallisten nanokokoisten rakenteiden kanssa. Tämä väitöskirja käsittelee metallisia nanorakenteita, joiden avulla valo saadaan kytkettyä metallin elektroneihin. Kun fotonit kytkeytyvät elektroneihin, valo saadaan tiivistettyä aallonpituutta pienempään tilaan. Tämä mahdollistaa erilaisten kvantti-ilmiöiden havaitsemisen huoneenlämpötilassa, joista eräs esimerkki on tässä väitöstyössä havaittu ensimmäinen valosta ja elektroneista koostuva Bosen-Einsteinin kondensaatti. Tutkimus kohdistuu kultaisista nanohiukkasista koostuviin säännöllisiin hilarakenteisiin, jotka on päällystetty orgaanisilla fluoresoivilla molekyyleillä. Molekyylejä voidaan virittää optisesti ulkoisen laserin avulla. Tämän seurauksena molekyylit lähettävät fotoneita hilarakenteeseen, jonka optiset resonanssit virittyvät molekyylien lähettämistä fotoneista. Kun molekyylien tiheyttä kasvatetaan riittävän suureksi, hilaresonanssit voivat kytkeytyä vahvasti molekyylien kanssa, jolloin ne muodostavat uudentyyppisiä kvasihiukkasia, joilla on sekä valon että aineen ominaisuuksia. Väitöstyö koostuu viidestä tutkimusartikkelista. Julkaisussa I havaitsemme ensimmäisen Bosen-Einsteinin kondensaatin plasmonisessa rakenteessa. Kondensaatti muodostuu huoneenlämpötilassa noin pikosekunnin ajassa. Julkaisussa II toteutamme ensimmäisen plasmonisen Bosen-Einsteinin kondensaatin vahvan kytkennän alueella. Vahvasti kytkeytynyt kondensaatti säteilee 100000 kertaa kirkkaammin kuin ensimmäinen plasmoninen kondensaatti. Toiminta huoneenlämpötilassa ja suuri kirkkaus tekevät vahvasti kytkeytyneestä plasmonisesta kondensaatista lupaavan alustan valosta luotujen kondensaattien tutkimukselle sekä myös mahdollisille sovellutuksille esimerkiksi anturiteknologian ja optisen kommunikaation aloilla. Julkaisussa III tutkimme vahvasti kytkeytyneen plasmonisen Bosen-Einsteinin kondensaatin paikka- ja aikakoherenssia suurissa hiloissa. Työssä tutkittu kondensaatti, joka on läpimitaltaan puoli millimetriä, on tiettävästi suurin valoon perustuva kondensaatti tähän mennessä. Julkaisussa IV raportoimme havaintoja vahvasti kytkeytyneen plasmonisen Bosen-Einsteinin kondensaatin vaihe- ja polarisaatio-ominaisuuksista. Havaitsemme kondensaatissa epätriviaalin vaihesiirtymän, joka mahdollistaa erilaisten polarisaatiokuvioiden muodostamisen. Julkaisussa V esittelemme uuden teoreettisen mallin vahvasti kytkeytyneiden orgaanisten systeemien mallintamiseen. Laskemme mallin avulla muun muassa faasidiagrammit laservalon tuottamiseen sekä heikon että vahvan kytkennän alueella ja osoitamme efektiivisten vuorovaikutusten alkuperän vahvasti kytkeytyneissä orgaanisissa systeemeissä.fi
dc.format.extent134 + app. 118
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.isbn978-952-64-0482-0 (electronic)
dc.identifier.isbn978-952-64-0481-3 (printed)
dc.identifier.issn1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/109637
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-952-64-0482-0
dc.language.isoenen
dc.opnWeitz, Martin, Prof., University of Bonn, Germany
dc.publisherAalto Universityen
dc.publisherAalto-yliopistofi
dc.relation.haspart[Publication 1]: T. K. Hakala, A. J. Moilanen, A. I. Väkeväinen, R. Guo, J.-P. Martikainen, K. S. Daskalakis, H. T. Rekola, A. Julku, and P. Törmä. Bose–Einstein condensation in a plasmonic lattice. Nature Physics, 14, pp. 739–744, Apr. 2018. Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201808214609. DOI: 10.1038/s41567-018-0109-9
dc.relation.haspart[Publication 2]: A. I. Väkeväinen, A. J. Moilanen, M. Nečada, T. K. Hakala, K. S. Daskalakis, and P. Törmä. Sub-picosecond thermalization dynamics in condensation of strongly coupled lattice plasmons. Nature Communications, 11, 3139, June 2020. Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202008064467. DOI: 10.1038/s41467-020-16906-1
dc.relation.haspart[Publication 3]: A. J. Moilanen, K. S. Daskalakis, J. M. Taskinen, and P. Törmä. Spatial and temporal coherence in strongly coupled plasmonic Bose– Einstein condensates. Submitted to Physical Review Letters, arXiv:2103.10397 [cond-mat], Mar. 2021
dc.relation.haspart[Publication 4]: J. M. Taskinen, P. Kliuiev, A. J. Moilanen, P. Törmä. Polarization and phase textures in lattice plasmon condensates. Nano Letters, 21, 12, June 2021. Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202108048140. DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c01395
dc.relation.haspart[Publication 5]: K. B. Arnardottir, A. J. Moilanen, A. Strashko, P. Törmä, and J. Keeling. Multimode organic polariton lasing. Physical Review Letters, 233603, Dec. 2020. Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020123160481. DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.233603
dc.relation.ispartofseriesAalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONSen
dc.relation.ispartofseries112/2021
dc.revNorris,David, Prof., ETH, Switzerland
dc.revNyman, Robert, Dr., Imperial College London, UK
dc.subject.keywordplasmonicsen
dc.subject.keywordpolaritonen
dc.subject.keywordnanoparticle arrayen
dc.subject.keywordlaseren
dc.subject.keywordBose-Einstein condensateen
dc.subject.keywordplasmoniikkafi
dc.subject.keywordpolaritonifi
dc.subject.keywordnanohilafi
dc.subject.keywordlaserfi
dc.subject.keywordBosen-Einsteinin kondensaattifi
dc.subject.otherPhysicsen
dc.titleBose–Einstein condensation in plasmonic latticesen
dc.titleBosen–Einsteinin kondensaatio plasmonisissa hiloissafi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.acrisexportstatuschecked 2021-09-24_1453
local.aalto.archiveyes
local.aalto.formfolder2021_09_02_klo_14_58
local.aalto.infraOtaNano
local.aalto.infraOtaNano - Aalto Nanofab/Micronova
local.aalto.infraScience-IT
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526404820.pdf
Size:
58.61 MB
Format:
Adobe Portable Document Format