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Tese

Modeling and analysis of hyperbolic metamaterials for controlling the spontaneous emission rate and efficiency of quantum emitters (2019)

  • Authors:
  • Autor USP: MOTA, ACHILES FONTANA DA - EESC
  • Unidade: EESC
  • Sigla do Departamento: SEL
  • Subjects: ELETROMAGNETISMO; HOMOGENEIZAÇÃO
  • Keywords: Eficiência quântica; Emissão espontânea; Emissores quânticos; Fator de Purcell; Metamateriais hiperbólicos; Modelagem eletromagnética
  • Agências de fomento:
  • Language: Inglês
  • Abstract: Nos últimos anos, intensivo esforço tem sido devotado para o estudo de novos métodos para o controle da missão de fótons de emissores quânticos (EQs), especialmente para aplicações em telecomunicações. Estes métodos dependem da adaptação da radiação dos EQs, geralmente avaliadas por meio das bem conhecidas figuras de mérito, como o tempo de meia vida ('tau') e a eficiência quântica ('eta'). O controle da emissão de fótons é importante pois quanto mais rápido os fótons são emitidos, maior é o número de vezes que o EQ retorna ao seu estado excitado por segundo. Portanto, é crucial criar canais de decaimento adicionais para reduzir 'tau', o que necessariamente requer o aumento do fator de Purcell (P). Uma das abordagens mais promissoras para aumentar P envolve uma nova classe de metamateriais, conhecida como metamateriais hiperbólicos (MHs). Esta classe de materiais apresenta pronunciada anisotropia, onde os elementos paralelo e perpendicular do tensor de permissividade (em relação ao eixo de anisotropia) apresentam sinais opostos, resultando em uma superfície de isofrequência (SI) hiperboloidal aberta (IS). Essa forma incomum de SI leva à característica mais marcante dos MHs, a existência de modos fotônicos com número de onda (k) muito maior do que aqueles no espaço livre (k0), conhecidos como modos alto-k. Ao manipular esses modos, é possível manipular a densidade de estados fotônicos (DES) dos MHs, controlando assim os parâmetros de radiação do QE. A abordagem mais simples para a criação de MHs é por meio de uma pilha plana de camadas metálicas e dielétricas alternadas. Entretanto, a espessura finita dessas camadas induz a dispersão espacial, tornando a extração de parâmetros efetivos (homogeneização) destes meios uma tarefa desafiadora.Neste contexto, propomos nesta tese uma nova abordagem de recuperação de parâmetros constitutivos a dispersão espacial de todos os parâmetros eletromagnéticos do meio é levada em consideração. Nós demonstramos que a parte real da curva de dispersão se aplaina (correspondentemente com uma grande parte imaginária) devido à ausência de modos propagantes dentro do metamaterial. Esta região plana é fortemente dependente das espessuras das camadas e é uma manifestação direta da dispersão espacial Além disso, nós mostramos que se a dispersão espacial não for corretamente considerada no processo de homogeneização, o tempo de meia vida do EQ pode ser superestimado, o que é prejudicial para aplicações de telecomunicações. Além disso, demonstramos como melhorar P por um fator maior que 100 com o uso de MHs. a maior parte da potência dissipada pelos EQs são acopladas nos MHs como modos de alto-k (que não se propagam no espaço livre). Portanto, a energia é dissipada termicamente no interior do MH, resultando em uma redução de 'eta'. Alguns autores recorreram a MHs nano-estruturados (MHNE) para converter os modos alto-k em modos de espaço livre (k '< ou =' k0) visando o aumento de 'eta'. No entanto, muitos dos projetos do NPHM ainda dependem de simulações numéricas tridimensionais (3D) computacionalmente dispendiosas. Assim, também propomos nesta tese um novo método semi-analítico para modelar, tanto em duas como em três dimensões (2D e 3D, respectivamente), a emissão de radiação de EQs interagindo com estruturas nano-estruturadas. O baixo custo computacional deste método faz com que seja atrativo para o mapeamento de P e 'eta' em função da posição relativa do EQ e do MHNE.Esse mapeamento é uma ferramenta útil para entender o comportamento de decaimento de todo o sistema, já que os EQs são arbitrariamente distribuídos e orientados dentro do MHNE. A curva de decaimento calculada analiticamente permite que a eficiência quântica efetiva do sistema ('eta'eff) e o fator de Purcell (Peff) sejam obtidos diretamente, assumindo múltiplas fontes eletromagnéticas arbitrariamente distribuídas. Neste sentido, propomos aqui um novo procedimento para otimizar os parâmetros geométricos do MHNE visando a maximização de 'eta'eff enquanto Peff é aumentado à um valor desejado. Aplicamos o modelo proposto a um MHNE composto por nove camadas de 'Ag'/'Si''O IND.2', com a camada de polímero embutida com Rodamina 6G, visando maximizar 'eta'eff para um aumento de dez vezes de Peff. Este procedimento permitiu que o 'eta'eff fosse incrementado em 69% e 170% para nano-estruturas uni e bidimensionais, respectivamente. Além disso, o tempo necessário para construir os mapas P e 'eta' (utilizados no cálculo da curva de decaimento) é reduzido em aproximadamente 96% quando comparado com os calculados numericamente via FDTD. Este procedimento abre caminho para o desenvolvimento de novas fontes de luz de alta velocidade e eficiência para aplicações de telecomunicações
  • Imprenta:
  • Data da defesa: 11.02.2019
    • Acesso à fonte
    How to cite
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    • ABNT

      MOTA, Achiles Fontana da. Modeling and analysis of hyperbolic metamaterials for controlling the spontaneous emission rate and efficiency of quantum emitters. 2019. Tese (Doutorado) – Universidade de São Paulo, São Carlos, 2019. Disponível em: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18155/tde-19032019-084555/. Acesso em: 24 abr. 2024.

    • APA

      Mota, A. F. da. (2019). Modeling and analysis of hyperbolic metamaterials for controlling the spontaneous emission rate and efficiency of quantum emitters (Tese (Doutorado). Universidade de São Paulo, São Carlos. Recuperado de http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18155/tde-19032019-084555/

    • NLM

      Mota AF da. Modeling and analysis of hyperbolic metamaterials for controlling the spontaneous emission rate and efficiency of quantum emitters [Internet]. 2019 ;[citado 2024 abr. 24 ] Available from: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18155/tde-19032019-084555/

    • Vancouver

      Mota AF da. Modeling and analysis of hyperbolic metamaterials for controlling the spontaneous emission rate and efficiency of quantum emitters [Internet]. 2019 ;[citado 2024 abr. 24 ] Available from: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18155/tde-19032019-084555/

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