Light-matter interactions at the nanoscale: Non-linearities, electrons and exciton polaritons
- Autores: Jaime Abad Arredondo
- Directores de la Tesis: Antonio I. Fernández Domínguez (dir. tes.), Francisco J. García Vidal (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2025
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 320
- Tribunal Calificador de la Tesis: Juan Carlos Cuevas Rodríguez (presid.), Pablo Alonso Gonzalez (secret.), A. Femius Koenderink (voc.), Alejandro Manjavacas Arevalo (voc.), Sol Carretero Palacios (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Física de la Materia Condensada, Nanociencia y Biofísica por la Universidad Autónoma de Madrid; la Universidad de Murcia y la Universidad de Oviedo
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
- Resumen
Esta tesis está dedicada al estudio teórico de las interacciones luz-materia en el contexto de la nanofotónica, explorando sus múltiples manifestaciones. En particular, mostramos que al modificar la estructura de estas interacciones, y bajo ciertas condiciones, los componentes de luz o materia de un sistema acoplado luz-materia pueden actuar como mediadores, dando lugar a interacciones efectivas que pueden modificar drásticamente la fenomenología dominante de un sistema dado.
El documento comienza con un amplio capítulo introductorio, que sienta las bases conceptuales necesarias para el resto de la tesis, seguido de tres capítulos independientes y autocontenidos. En cada capítulo empleamos descripciones complementarias, tanto clásicas como cuánticas, para estudiar las interacciones luz-materia en los diferentes escenarios.
En el Capítulo 2, investigamos interacciones fotón-fotón mediadas por la materia que surgen de la respuesta óptica no lineal de un aceite debido a un efecto termoóptico. Al incorporar un sistema difractivo en este aceite, predecimos ruptura espontánea de simetría, violaciones instantáneas de la conservación del momento lateral y fases dinámicas en este sistema periódico disipativo bajo bombeo. Estas predicciones son verificadas experimentalmente con colaboración experimental. De este modo, demostramos la transición abrupta entre el ámbito de la óptica lineal y las leyes de conservación, y los comportamientos no lineales.
El Capítulo 3 se centra en las interacciones luz-materia, abarcando tanto los regímenes de acoplamiento débil como fuerte. Logramos una mejora en la fluorescencia en cavidades híbridas metalo-dieléctricas, que son modeladas mediante un enfoque semianalítico, y obtenemos una mejora significativa en la señal de fluorescencia ajustando los parámetros geométricos de nuestras cavidades mediante técnicas de optimización numérica. Además, demostramos un método novedoso para explorar el acoplamiento fuerte en huecos plasmónicos nanométricos utilizando electroluminiscencia, que describimos mediante una combinación de simulaciones numéricas y modelado analítico. Nuestra descripción teórica reproduce con precisión las medidas obtenidas en la implementación experimental de esta prueba de concepto, desarrollada en colaboración con nuestros esfuerzos teóricos.
Finalmente, en el Capítulo 4 examinamos interacciones materia-materia mediadas por fotones, específicamente, interacciones de electrones libres con objetivos cuánticos. Para ello, desarrollamos un marco hamiltoniano basado en la electrodinámica cuántica macroscópica para describir cómo los electrones libres pueden usarse para sondear y manipular la coherencia cuántica. Primero, aprovechamos nuestra descripción para analizar la interacción de un electrón libre con un emisor cuántico aislado, y demostramos protocolos de preparación de estados cuánticos y tomografía de estados que dependen fundamentalmente de la coherencia cuántica del electrón libre. También estudiamos la interacción de un electrón libre con un objetivo polaritónico, compuesto por un sistema de luz-materia fuertemente acoplado. Encontramos que, debido a la interferencia cuántica, los electrones modulados son capaces de bombear transiciones energéticas específicas del objetivo, en contraste con la naturaleza de la excitación de banda ancha tradicionalmente asociada a los electrones libres.
El presente trabajo amplía nuestra comprensión de las interacciones luz-materia en una variedad de regímenes, proporcionando tanto perspectivas teóricas como confirmaciones experimentales externas. Una parte significativa de nuestra investigación se centra en el desarrollo de nuevos marcos para describir y analizar estas interacciones, incluyendo un enfoque basado en la electrodinámica cuántica macroscópica para describir interacciones materia-materia mediadas por luz, una aplicación novedosa del análisis de estabilidad lineal a sistemas ópticos no lineales espacialmente extendidos, y amplio uso del modelado numérico aplicado a diversos escenarios. Al conectar predicciones teóricas con validaciones experimentales, esta tesis contribuye al avance de metodologías para controlar y manipular sistemas cuánticos y clásicos, con aplicaciones potenciales en tecnologías cuánticas y nanofotónica.
