Master's Thesis

Quantum description of superradiance of emitters with plasmon-mediated interaction

Final Thesis 6.68 MB

Author of thesis: Ing. Gabriela Olivíková

Acad. year: 2016/2017

Supervisor: doc. Mgr. Vlastimil Křápek, Ph.D.

Reviewer: Mgr. Lukáš Chvátal

Abstract:

Superradiance is an enhanced decay of an excited system of emitters resulting from their mutual coupling. This thesis is focused on superradiance of the emitters coupled via their interaction with a plasmonic nanoparticle. So-called plasmon-mediated superradiance results in even stronger enhancement of the decay rate as the nanoparticle serves as an additional decay chanel. We have developed a quantum model of the system of emitters coupled to a plasmonic nanoparticle, which allows us to differentiate between a pure dephasing and decay processes. We show that the pure dephasing can destroy the cooperative effect leading to superradiance. Furthermore, we have studied how the direct mutual coupling between emitters affects time evolution of the system in dependence on its configuration, and we show conditions when a decay of the system is dramatically decreased by direct coupling.

Keywords:

Superradiance, pure dephasing, strong coupling, weak coupling, plasmonics

Date of defence

21.06.2017

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Applied Sciences in Engineering (M2A-P)

Field of study

Physical Engineering and Nanotechnology (M-FIN)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Komrska, CSc. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Eduard Schmidt, CSc. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Cílem práce paní Bc. Gabriely Olivíkové bylo vyvinout model pro popis dynamiky systému emitorů vázaných k plazmonické nanočástici a prozkoumat možnost vzniku jevu superzářivosti.
Práce je přehledně členěna do 9 kapitol. V kapitolách 2 a 3 je ve stručné, ašak dostatečné míře shrnut současný stav poznání. V kapitole 4 je představen formalizmus potřebný pro vybudování teoretického modelu. V kapitolách 5-8 je pak postupně budován model dynamiky emitorů vázaných k plazmonické částici. Postupuje se přitom od jednoduchého analyticky řešitelného modelu nezávislých identických emitorů přes model dvou různých skupin emitorů až realistickému systému odlišných a vzájemně interagujících emitorů s realistickými parametry. Pro každý z modelů je nalezena dynamika systému pro různé hodnoty parametrů modelu a diskutován rozsah hodnot parametrů, pro něž je pozorována superzářivost, případně silná vazba mezi emitory a plazmonickou částicí.
Práce je psána anglicky, má dobrou stylistickou a jazykovou úroveň s drobnými nedostatky zejména v používání členů. Pokud jde o věcnou stránku, nenalezl jsem žádné nedostatky. Závěry práce jsou dobře zdůvodněné a vzájemně na sebe logicky navazují. Práce obahuje řadu původních a netriviálních výsledků a lze očekávat, že budou publikovatelné v odborných impaktovaných časopisech. Autorka pracovala samostatně a iniciativně. Cíle práce byly beze zbytku splněny a v mnoha směrech překročeny. Práce splňuje požadavky kladené na diplomovou práci. Práci doporučuji přijmout k obhajobě a hodnotím známkou výborně/A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené vysledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Mgr. Lukáš Chvátal

Diplomová práce Bc. Olivíkové je zaměřena na studium jevu superzářivosti v systému malého počtu emitorů a kovové nanočástice, vzájemně vázaných elektromagnetickou interakcí. Neboť v klasickém popisu nelze zohlednit zásadní jev tzv. náhodného rozfázování, předkládá autorka plně kvantový model s minimálním počtem parametrů. V prvních třech kapitolách je čtenář uveden do problematiky prezentací nástrojů kvantové teorie pole, Lindbladova formalismu pro popis interakce s prostředím a příkladem aplikace na jednodušší systém s jediným emitorem. Z této části je patrný hluboký vhled do poměrně specializované problematiky, jak dokládá seznam použité literatury, který je čtenáři předán přehledně, jasně a stručně.
Za významný a originální přínos práce pokládám formulaci systému 11 pohybových rovnic pro střední hodnoty obsazovacích čísel plasmonových a emitorových modů a koherencí mezi nimi. Tyto rovnice popisují chování modelu v němž emitory tvoří směs dvou odlišných typů. Simulace deexcitace takového systému pro vhodně zvolené kombinace parametrů, spolu s jejich detailními rozbory, naplňují kapitoly 5-8.
Práce je psána v angličtině, a to srozumitelně, bez závažných gramatických chyb, což hodnotím kladně. Rodilý mluvčí by zřejmě připojil výhrady k (ne)užívání určitých a neurčitých členů, čárek v souvětích, což ovšem osobně nemohu kompetentně posoudit. Z typografického hlediska je práce na velmi vysoké úrovni. Výsledky jsou prezentovány v působivě vyhotovených grafech s jednotným vzhledem a sazbou písma. Ojediněle se vyskytují překlepy (např.: střední hodnota v rov. 2.38, ‚described‘ nad 2.38, legenda Fig. 7.3b).
I přes uvedené drobné nedostatky mohu s potěšením konstatovat, že předkládaná práce splňuje požadavky kladené na diplomovou práci. Navrhuji přijmout ji k obhajobě a hodnotím stupněm A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. 1) Existují konkrétní příklady reálných systémů, s nimiž by bylo možné model porovnávat?
  2. 2) Je možné očekávat modifikaci samotné dielektrické funkce kovové nanočástice, např. jako důsledek blízkosti emitoru, nebo dostatečně ‚silné‘ vazby? Bylo by pak případně možné obohatit formulovaný model o tento jev?
  3. 3) Proč je možné při odhadu efektivního objemu částice zanedbat člen se vzdáleným polem?
  4. 4) Při numerické integraci systému pohybových rovnic jsou vlastnosti systému určující pro volbu vhodné numerické metody (‚stiffness‘ aj.). Je tedy výběr metody relevantní pro přesnost?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová