Detail předmětu

Nanofotonika a plasmonika

FSI-TNF-AAk. rok: 2024/2025

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,

Jazyk výuky

angličtina

Počet kreditů

4

Garant předmětu

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc.

Zajišťuje ústav

Ústav fyzikálního inženýrství (ÚFI)

Nabízen zahraničním studentům

Všech fakult

Vstupní znalosti

Základní kurz fyziky, teorie elektromagnetického pole, kvantová fyzika a fyzika pevných látek.

Pravidla hodnocení a ukončení předmětu

Hodnocení studenta bude zohledňovat jeho práci ve cvičení a výsledky diskuze nad zadanými tématy při zkoušce (k přípravě povoleny poznámky z přednášek).
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.

Učební cíle

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.
Studenti získají přehled o aktuálním stavu nového oboru nanofotonika, což jim umožní i snazší orientaci při výběru vlastní diplomové či doktorské práce.

Základní literatura

Bohren C. F., Huffman D. R.: Absorption and Scattering of Light by Small Particles, Wiley - VCH Verlag GmbH, Weinheim, 2006 (EN)
Kreibig U., Vollmer M.: Optical Properties of Metal Clusters, Springer Verlag, Berlin 1995. (EN)
Maier S. A.: Plasmonics: Fundamentals and Application, Springer 2007. (EN)

Doporučená literatura

Bohren C. F., Huffman D. R.: Absorption and Scattering of Light by Small Particles, Wiley - VCH Verlag GmbH, Weinheim, 2006 (EN)
Maier S. A.: Plasmonics: Fundamentals and Application, Springer 2007. (EN)

Elearning

eLearning: aktuální otevřený kurz

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program N-FIN-P magisterský navazující 1 ročník, zimní semestr, povinně volitelný
  • Program N-ENG-Z magisterský navazující 1 ročník, zimní semestr, doporučený kurs

  • Program C-AKR-P celoživotní vzdělávání v akr. stud. programu

    specializace CZS , 1 ročník, zimní semestr, volitelný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc.
Ing. Michal Kvapil, Ph.D.

Osnova

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

20 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Michal Kvapil, Ph.D.
prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc.

Osnova

Výpočty podpůrných teoretických příkladů probíhají po celý semestr.

Cvičení s počítačovou podporou

6 hod., povinná

Vyučující / Lektor

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc.

Osnova

viz cvičení

Elearning

eLearning: aktuální otevřený kurz