Nanofotonika a plasmonika (FSI-TNF-A)

Akademický rok 2022/2023

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
CŽV	prezenční studium	CZV Základy strojního inženýrství	--	zá,zk	4	Povinně volitelný	1	1	Z
N-ENG-Z	příjezd na krátkodobý studijní pobyt	--- bez specializace	--	zá,zk	4	Volitelný	2	1	Z
N-FIN-P	prezenční studium	--- bez specializace	--	zá,zk	4	Povinně volitelný	2	1	Z