Nanofotonika a plasmonika (FSI-TNF-A)

Akademický rok 2021/2022
Garant: prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc.  
Garantující pracoviště: ÚFI všechny předměty garantované tímto pracovištěm
Jazyk výuky: angličtina
Cíle předmětu:
Cílem je poskytnout přehled o metodách umožňujících použití elektromagnetických signálů na strukturách s rozměry pod difrakčním limitem, speciálně pak o plasmonice jako hlavní oblasti nanofotoniky.
Výstupy studia a kompetence:
Studenti získají přehled o aktuálním stavu nového oboru nanofotonika, což jim umožní i snazší orientaci při výběru vlastní diplomové či doktorské práce.
Prerekvizity:
Základní kurz fyziky, teorie elektromagnetického pole, kvantová fyzika a fyzika pevných látek.
Obsah předmětu (anotace):
Principy šíření optických signálů v nanostrukturách pod hranicí difrakčního limitu, metody jejich využití. Povrchové plazmonové polaritony (PPP) - možnost, jak překonat difrakční limit. Buzení, šíření a detekce PPP. Využití plazmonových polaritonů v oblasti sensoriky. Lokalizované plazmonové polaritony (LPP) - lokální excitace elektromagnetického pole, využití v oblasti generace a detekce elektromagnetického záření, sensorice a lokální spektroskopii nanostruktur. Nanoantény, jejich příprava a užití a numerické modelování jejich polí. Metamateriály a jejich užití pro zobrazování,
Metody vyučování:
Předmět je vyučován formou přednášek, které mají charakter výkladu základních principů a teorie dané disciplíny. Cvičení je zaměřeno na praktické zvládnutí látky probrané na přednáškách.
Způsob a kritéria hodnocení:
Hodnocení studenta bude zohledňovat jeho práci ve cvičení a výsledky diskuze nad zadanými tématy při zkoušce (k přípravě povoleny poznámky z přednášek).
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky:
Přítomnost na cvičení je povinná a je sledována vyučujícím. Způsob nahrazení zmeškané výuky ve cvičení bude stanovena vyučujícím na základě rozsahu a obsahu zmeškané výuky.
Typ (způsob) výuky:
    Přednáška  13 × 2 hod. nepovinná                  
    Cvičení  10 × 2 hod. povinná                  
    Cvičení s počítačovou podporou  3 × 2 hod. povinná                  
Osnova:
    Přednáška Úvodní lekce
Nanooptika, nanofotonika a plazmonika. Historie plazmoniky.Z ákladní oblasti aktuálního výzkumu v oblasti plazmoniky. Aplikace plazmoniky: biosenzory, rezonanční plazmonické nanoantény (metody přípravy rezonančních plazmonických nanoantén: FIB a EBL, ukázka numerických simulací nanoantén).
Lekce I – Elektromagnetismus kovů
Maxwellovy rovnice a šíření elektromagnetických vln. Vztah mezi komplexní dielektrickou funkcí a komplexní vodivostí: teorie lineární odezvy, materiálové vztahy ve frekvenční doméně, vztahy mezi reálnými a imaginárními částmi komplexní dielektrické funkce, komplexní vodivosti, komplexního indexu lomu a koeficientem absorpce. Příklady dvou disperzních relací: objemové fononové a objemové plazmonové polaritony.
Lekce II – Dielektrická funkce kovů
Drudeho model. Dielektrická funkce reálných kovů a mezipásové přechody: Drudeův-Lorentzův model, příklady: zlato a stříbro.
Lekce III – Povrchové plazmonové polaritony
Módy jednoho rozhraní: struktura pole SPP a disperzní relace SPP. Buzení povrchových plazmonových polaritonů na rovinném povrchu.
Módy dvou rozhraní: vazby mezi módy jednotlivých rozhraní a dvě větve v disperzní relaci, struktura MIM a heterostruktura IMI. Applikace SPP – rovinné vlnovody, senzory.
Optika tenkých vrstev a povrchové plazmonové polaritony.
Lekce IV – Buzení a detekce povrchových plazmonových polaritonů
Buzení povrchových plazmonových polaritonů elektrony. Buzení a detekce povrchových plazmonových polaritonů světlem: metoda ATR. Buzení a detekce povrchových plazmonových polaritonů pomocí SNOM.
Lekce V – Lokalizované plazmonové polaritony
Interakce elektromagnetické vlny s nanočásticí: Mieova teorie. Kvazistatická aproximace. Účinný průřez extinkce, absorpce a rozptylu. Rozměrové efekty: rozměrové kvantování, vliv rozměru na střední volnou délku. Polaritony objemové a povrchové, polaritony radiační a neradiační ve vrstvě a kouli, tři frekvence pro kov: plazmová frekvence (objemové vlny), frekvence povrchových plazmonů šířících se podél rovinného rozhraní, Frölichova frekvence pro dipólový mód koule.
Závěrečná lekce – aktuální problémy
a) Fano rezonance: dimery, hybridizace, „temný“ (dark) a „světlý“ (bright) mód a jejich interakce, Plasmon Induced Transparency, příklad: kovová nanostruktura tvořená diskem uvnitř tenkého kroužku.
b) Plazmonické nanoantény: příprava plazmonických nanoantén, mapování plazmonických nanoantén, metody osvětlování nanostruktur a detekce plazmonů, metoda založená na mapování tepla, které se vyvíjí v nanostrukturách, lokální zesílení elektromagnetického pole v blízkém okolí nanostruktur - povrchově zesílená Ramanova spektroskopie (SERS), hrotem zesílená Ramanova spektroskopie (TERS), luminiscence indukovaná kovovým hrotem (STL).
c) Phononics: povrchové fononové polaritony
d) Strong coupling: plasmon-exciton coupling, plasmon-phonon coupling
e) Metamateriály and záporný index lomu, aplikace pro dokonalé zobrazování.
    Cvičení Výpočty podpůrných teoretických příkladů probíhají po celý semestr.
    Cvičení s počítačovou podporou viz cvičení
Literatura - základní:
1. Maier S. A.: Plasmonics: Fundamentals and Application, Springer 2007.
3. Bohren C. F., Huffman D. R.: Absorption and Scattering of Light by Small Particles, Wiley - VCH Verlag GmbH, Weinheim, 2006
4. Kreibig U., Vollmer M.: Optical Properties of Metal Clusters, Springer Verlag, Berlin 1995.
Literatura - doporučená:
1. Maier S. A.: Plasmonics: Fundamentals and Application, Springer 2007.
2. Bohren C. F., Huffman D. R.: Absorption and Scattering of Light by Small Particles, Wiley - VCH Verlag GmbH, Weinheim, 2006
Zařazení předmětu ve studijních programech:
Program Forma Obor Spec. Typ ukončení   Kredity     Povinnost     St.     Roč.     Semestr  
N-FIN-P prezenční studium --- bez specializace -- zá,zk 4 Povinně volitelný 2 1 Z
N-ENG-Z příjezd na krátkodobý studijní pobyt --- bez specializace -- zá,zk 4 Doporučený kurs 2 1 Z
N-ENG-Z příjezd na krátkodobý studijní pobyt --- bez specializace -- zá,zk 4 Doporučený kurs 2 2 Z