Resumen de Optical nanoantennas as cavities: nanoscale control of couplings strength and single photon emission
Nanoantenas ópticas confinan la luz a una escala nanométrica, permitiendo interacciones fuertes entre la luz y la materia con potencial en dispositivos ópticos ultra-compactos. Aparte de las aplicaciones directas en nanoscopía y detección, nanoantenas pueden aumentar fuertemente la tasa de emisión espontánea de un emisor de fotón único. Una nanoantena, actuando como una nanocavidad, permite un rendimiento elevado de fotones debido a sus pérdidas radiativas asociadas con las resonancias plasmónicas y por tanto allana el camino para fuentes de fotón único compactas y brillantes con aplicaciones en tecnologías cuánticas. La localización sublongitud de onda de campos en la nanoantena crea una distribución vectorial de campos con componentes no nulas en todas las dimensiones. La eficiencia del acoplamiento entre un emisor como una molécula única y una nanoantena dependerá en gran medida de la superposición espacial del momento dipolar del emisor y el campo de la nanoantena. Con el fin de lograr este acoplamiento, el posicionamiento preciso del emisor, tanto su ubicación como su orientación, dentro de la nanocavidad es necesario. Por tanto, la caracterización vectorial del sistema emisor-nanoantena es crucial para maximizar la fuerza de su acoplamiento. Esta tesis aborda los temas antes mencionados y estudia la interacción controlada de una molécula única junto con una nanoantena.
Con este fin primero fabricamos las nanoantenas en el vértice de una fibra óptica utilizando un haz de iones enfocado fresado y usamos una técnica de campo cercano para controlar el nanoposicionamiento. En el primer experimento, investigamos las propiedades de excitación de una nanoantena dipolar resonante al mapear su distribución de campo cercano con una resolución molecular. La punta de la nanoantena se escanea sobre moléculas únicas seleccionadas específicamente para mapear las componentes x-, y-, y z-del campo. Además de la caracterización del campo vectorial, se demuestra que la posición aparente de la molécula se desplaza hasta arriba 20 nm, dependiendo de su orientación, con importantes implicaciones para la microscopía de localización.
A continuación, nuestro enfoque experimental sin precedentes nos permite examinar un concepto de campo cercano menudo pasado por alto, pero uno importante para las nanoantenas, la interferencia local. La distribución vectorial altamente estructurada de la amplitud y fase de la nanoantena se solapa con el campo lejano excitante para crear esta interferencia local. Realizamos un estudio detallado a través de la observación directa y damos un ejemplo de cómo aprovechar de esta interferencia local para dar forma y controlar el campo cercano de la nanoantena.
Por último, se cuantifica la interacción vectorial de un sistema molécula-nanoantena mapeando la fuerza de acoplamiento g con una resolución espacial de 5 nm. Demostramos que para la posición óptima de una molécula en la nanoantena, la tasa de acoplamiento llega hasta g_max = 206 GHz, muy superior a todas las cavidades convencionales. Tal acoplamiento grande proporciona las condiciones ideales para la emisión de fotones no clásicas de forma rápida y puro, haciendo posible una fuente de fotones únicas con una tasa de emisión por encima de 1 GHz a temperatura ambiente
