Ajankohtaista

Väitös: 30.6. Pintaplasmonien ja molekyylien välillä on vahva vuorovaikutus (Baieva)

Alkamisaika: torstai 30. kesäkuuta 2016, 12.00

Päättymisaika: torstai 30. kesäkuuta 2016, 15.00

Paikka: Ylistönrinne, Fysiikan laitos, FYS1

Svitlana Baieva kuva: Andrii Torgovkin
M.Sc. Svitlana Baievan fysiikan väitöskirjan "Interaction Between Surface Plasmon Polaritons and Molecules in Strong Coupling Limit" tarkastustilaisuus. Vastaväittäjänä professori Bill Barnes (University of Exeter, UK) ja kustoksena yliopistonlehtori Jussi Toppari. Väitöstilaisuus on englanninkielinen.

Yksi nykyteknologian haasteista on optisten komponenttien integroiminen elektronisten kanssa. Pienennettäessä optisia komponentteja nykyisen elektroniikan kokoluokkaan, niiden ominaisuudet heikentyvät tai häviävät kokonaan sironnan takia. Ongelman kiertämiseen on löytynyt keino, pintaplasmonit, joissa värähtelevä sähkömagneettinen kenttä on yhdistynyt metallin vapaiden elektronien mekaanisen liikkeeseen muodostaen valon taajuudella metallin pinnassa etenevän yhdistelmäaallon. Orgaanisten, optisesti aktiivisten molekyylien liittäminen plasmoneihin tuo lisää erilaisia ominaisuuksia ja mahdollisuuksia. Näiden teknologisten mahdollisuuksien lisäksi pintaplasmoneja voidaan käyttää molekyylien ohjaamiseen ja tutkimiseen.

Baieva tutki mm. biologisesti tärkeän pigmentin, beetakaroteenin ominaisuuksia plasmonien avulla. Tutkimuksessa yritettiin saada tietoa molekyylin pimeästä tilasta, jolla on uskottu olevan suuri merkitys energian siirrossa yhteyttämisessä.

- Selvisi, ettei molekyylin pimeä tila kytkeytynyt plasmoneihinkaan, mutta kokeet olivat silti tärkeä askel kohti pintaplasmonien käyttöä biologisessa tutkimuksessa, Baieva toteaa.

Baieva etsi vastauksia moniin kysymyksiin pintaplasmonien ja molekyylien vuorovaikutuksesta ns. vahvan kytkennän rajalla, jossa viritysenergia ei enää ole joko molekyylillä tai plasmonilla vaan on koherentisti jakautunut niiden välillä.

Näiden vahvasti kytkettyjen plasmonien ja molekyylien välisten hybriditilojen dynamiikkaa Baieva tutki analysoimalla niiden emittoiman valon polarisaatiota. Pintaplasmonin sironta on aina TM-polarisoitunutta, mutta vahva kytkeytyminen molekyyleihin aikaansaa myös vastakkaista TE-polarisoitunutta valoa. Tutkimus osoitti, ettei TE-polarisoituneen valon määrä kuitenkaan riipu pelkästään hybriditilan tai molekyylin ominaisuuksista. Siihen vaikuttavat monet kompleksiset prosessit tilan kehityksessä – erityisesti molekyylin sisäisten reaktioiden nopeus (relaksaatioaika) verrattuna ulkoisten häiriöiden rajoittamaan hybriditilan elinaikaan (dekoherenssiaika). Näitä tuloksia voidaan hyödyntää molekyylien kemiallisen energian ohjaamisessa sekä plasmoniikassa.

Lisätietoja:
Svitlana Baieva, svitlana.v.baieva@jyu.fi, +358449470598
Viestintäharjoittelija Petra Toivanen, tiedotus@jyu.fi, p. 040 8053638

Svitlana Baieva valmistui Nikopolin lukiosta Ukrainassa 2003. Samana vuonna hän aloitti opintonsa fysiikan ja teknologian tiedekunnassa V.N. Karazin Kharkivin kansallisessa yliopistossa. Hän valmistui soveltavan fysiikan kandidaatiksi vuonna 2007. Samalla hän suoritti myös lääketieteellisen fysiikan spesialistin arvon samassa yliopistossa.  Syksyllä 2008 hän aloitti kansainvälisessä nanotieteiden maisteriohjelmassa Jyväskylän yliopistossa. Jatko-opintonsa hän aloitti Jyväskylän yliopistossa vuonna 2011.

Väitöskirja on julkaistu sarjassa Department of Physics, University of Jyväskylä Research Report 7/2016, 78 s. + artikkelit. ISBN 978-951-39-6676-8, ISBN 978-951-39-6677-5 (pdf). Luettavissa JYX-arkistossa: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-39-6677-5

 

Abstract

Miniaturization of optical elements and their integration to electronic circuits is limited by diffraction limit. It was realized that light being coupled to surface plasmons (SP) can overcome this limit. Employing also optically active molecules in combination with SPs can drive optical circuits to nm-scale and add functionalities. For efficient performance of plasmonic elements involving fluorescent dye molecules investigation of physics behind their interaction is of high priority. In this thesis interaction between surface plasmon polaritons (SPPs) and different dye molecules has been studied, especially within strong coupling limit, which brings in totally new physical properties in the form of hybrid SP-molecule polariton states. Strong coupling with SPPs was achieved altogether for Sulforhodamine 101 (SR101), Rhodamine 6G (R6G), TDBC and _-carotene molecules. The measurements were done in Kretschmann geometry using two complementary detection techniques. In attenuated total internal reflection (ATR) experiments the signature of strong coupling, i.e., energy splittings in dispersion curve, was observed for samples having sufficient amount of molecules. The value of energy splitting is directly proportional to the square root of total molecular absorption, which is analogous to the strong coupling of dyes with photons inside optical microcavities. Collected scattered radiation also shows features of strong coupling. Moreover the energy gaps values are increased indicating role of interaction time. We performed also molecule excitation directly by laser in reverse Kretschmann configuration and analyzed the emission patterns revealing clear surface plasmon coupled fluorescence of _-carotene. By increasing the concentration of _-carotene we were able to collect also surface plasmon coupled Raman scattering signal. Light scattered out due to surface roughness during the SPP propagation is always p (TM)-polarized when detected on the direction perpendicular to the surface of silver film. However, we observe polarization conversion of scattered SPP-molecule polariton in the case of R6G and TDBC dyes. We assign this rather to the properties of strongly coupled molecular state then to conversion due to surface plasmon polariton scattering on metallic film imperfections. By comparing results of different dyes we can conclude that higher Stokes shift, leading to the faster decay of the absorption state of the molecule, results in the loss of the polarization conversion returning thus the pure SPP scattering behavior.

Lisätietoja

M.Sc. Svitlana Baieva
svitlana.v.baieva@jyu.fi
+358408054447
kuuluu seuraaviin kategorioihin: