Strong coupling between surface plasmon polaritons and molecules Lindblad equation approach

Pintaplasmonipolaritonit (SPP) ovat metallin ja dielektrisen aineen, esim. ilma, rajapintaan syntyviä sähkömagneettisia aaltoja. Tämä työ käsittelee SPP:en ja molekyylien välistä vuorovaikutusta vahvan kytkennän rajalla. Vahvan kytkennän rajalla systeemin energiatilat muodostavat uusia hybriditil...

Full description

Bibliographic Details
Main Author: Asikainen, Aili
Other Authors: Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta, Faculty of Sciences, Fysiikan laitos, Department of Physics, University of Jyväskylä, Jyväskylän yliopisto
Format: Master's thesis
Language:eng
Published: 2016
Subjects:
Online Access: https://jyx.jyu.fi/handle/123456789/51851
_version_ 1826225768176287744
author Asikainen, Aili
author2 Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta Faculty of Sciences Fysiikan laitos Department of Physics University of Jyväskylä Jyväskylän yliopisto
author_facet Asikainen, Aili Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta Faculty of Sciences Fysiikan laitos Department of Physics University of Jyväskylä Jyväskylän yliopisto Asikainen, Aili Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta Faculty of Sciences Fysiikan laitos Department of Physics University of Jyväskylä Jyväskylän yliopisto
author_sort Asikainen, Aili
datasource_str_mv jyx
description Pintaplasmonipolaritonit (SPP) ovat metallin ja dielektrisen aineen, esim. ilma, rajapintaan syntyviä sähkömagneettisia aaltoja. Tämä työ käsittelee SPP:en ja molekyylien välistä vuorovaikutusta vahvan kytkennän rajalla. Vahvan kytkennän rajalla systeemin energiatilat muodostavat uusia hybriditiloja. Näitä uusia tiloja voidaan hyödyntää mm. kemiallisten reaktioiden muokkaamisessa ja kvantti-informatioteknologiassa. Eräs SPP:en ominaisuus on, että ne voivat lähettää vain p-polarisoitunutta valoa. Viimeaikaisissa tutkimuksissa on kuitenkin havaittu SPP–molekyyli-systeemin lähettävän myös s-polarisoitunutta valoa. Yksi tämän työn tavoitteista oli löytää prosessi, joka selittäisi s-polarisoituneen valon mikroskooppisen alkuperän. Tätä varten muodostin systeemille markovilaisen kvanttimekaanisen master-yhtälön Lindbladin muodossa. Lindbladin yhtälö kuvaa systeemin tiheysmatriisin aikakehitystä, kun systeemi on kytketty ulkoiseen kylpyyn erilaisten dissipaatioprosessien myötä. Tarkastelemassani systeemissä tällaisia dissipaatioprosesseja ovat SPP:n ja molekyylien viritystilojen purkautuminen ulkoiseen fotonikenttään. Vastaavasti ulkoinen fotonikenttä voi virittää systeemin hybriditilalle. Lisäsin Lindbladin yhtälöön myös prosessin, joka sekoittaa tilan kvanttimekaanisen vaiheen. Se vähentää systeemin kvanttitilojen interferenssiä, mutta ei muuta systeemin energiaa. Tämä prosessi syntyy elastista törmäyksistä molekyylien ja metallin kidevärähtelyiden, fononien, välillä. Toisaalta molekyylit ja fononit voivat myös törmätä epäelastisesti. Ratkaisin Lindbladin yhtälön numeerisesti kahden molekyylin tapauksessa. Numeerisen ratkaisun päätuloksena sain, että kun dissipaatioprosessit tapahtuvat riittävän hitaasti verrattuna systeemin sisäiseen kytkentään, tiheysmatriisin ei-diagonaaliset alkiot ovat niin pieniä, että ne voi jättää huomioimatta. Olettaen, että ei-diagonaali alkiot ovat pieniä, löysin Lindbladin yhtälön stationäärisen ratkaisun, kun molekyylien lukumäärä on suuri. Tämän tuloksen avulla huomasin, että muodostamani termi kvanttimekaanisen vaiheen sekoittumiselle ei luo s-polarisoitunutta valoa. Löysin Lindbladin yhtälöön lisättävän termin, jonka seurauksena systeemi lähettää s-polarisoitunutta valoa. Esitän, että tällainen termi voi olla korjaustermi, joka johtuu fotonikentän äärellisestä korrelaatiopituudesta. Tämä korjaus näyttäisi siltä kuin molekyylit olisivat kytkeytyneet erillisiin fotonikenttiin. Ratkaisin analyyttisesti Lindbladin yhtälön, joka sisälsi korjaustermin, mutta ei vaiheen sekoittumista. Ratkaisun avulla sain suhteen eri polarisaatiosuuntiin lähetetylle valolle, tämä suhde riippuu mm. SPP:n polarisaatiosta ja dissipaatioprosessien nopeuksista. Työssa saatujen tulosten avulla voidaan jatkaa SPP–molekyyli-systeemin teoreettisen mallin kehitystä. Tärkeää on ymmärtää tarkemmin lisätyn korjaustermi mikroskooppinen perusta, jotta mallia voi testata kokeellisesti, sekä pohtia muita mahdollisia Lindblad yhtälön termejä. This thesis provides an introduction to strong coupling between surface plasmon polaritons (SPP) and molecules. In the strong coupling limit the energy levels of the system change to form new hybridstates. These new states can be used for example to control chemical reactions and in quantum-information technology. One property of the SPPs is that they can only be p-polarized. However, in recent experiments the strong coupling system has been found to also emit s-polarized light. One goal of this thesis is to find a process that would explain the microscopic origin of the s-polarized light. We construct a Markovian quantum master equation of the Lindblad kind for the strong coupling system. Lindblad equation is describes the time evolution of the density matrix of the system, when the system is coupled to an external bath through dissipative processes. The Lindblad equation that we construct includes decay of the SPP and molecules into an external photon field, dephasing process and inelastic scattering of the molecules with phonons. The dephasing process causes loos of interference in the system but does not change energy. Using both a numerical and an analytical treatment of the Lindblad equation we find that dephasing is not enough to produce s-polarized light. We are able to find a Lindblad term that allows the emission of s-polarised light. We argue that this term is a correction due to the finite correlation length of the external photon field.
first_indexed 2023-03-22T09:58:22Z
format Pro gradu
free_online_boolean 1
fullrecord [{"key": "dc.contributor.advisor", "value": "Heikkil\u00e4, Tero", "language": "", "element": "contributor", "qualifier": "advisor", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.author", "value": "Asikainen, Aili", "language": null, "element": "contributor", "qualifier": "author", "schema": "dc"}, {"key": "dc.date.accessioned", "value": "2016-11-10T09:59:51Z", "language": "", "element": "date", "qualifier": "accessioned", "schema": "dc"}, {"key": "dc.date.available", "value": "2016-11-10T09:59:51Z", "language": "", "element": "date", "qualifier": "available", "schema": "dc"}, {"key": "dc.date.issued", "value": "2016", "language": null, "element": "date", "qualifier": "issued", "schema": "dc"}, {"key": "dc.identifier.other", "value": "oai:jykdok.linneanet.fi:1642688", "language": null, "element": "identifier", "qualifier": "other", "schema": "dc"}, {"key": "dc.identifier.uri", "value": "https://jyx.jyu.fi/handle/123456789/51851", "language": "", "element": "identifier", "qualifier": "uri", "schema": "dc"}, {"key": "dc.description.abstract", "value": "Pintaplasmonipolaritonit (SPP) ovat metallin ja dielektrisen aineen, esim. ilma, rajapintaan\r\nsyntyvi\u00e4 s\u00e4hk\u00f6magneettisia aaltoja. T\u00e4m\u00e4 ty\u00f6 k\u00e4sittelee SPP:en ja molekyylien v\u00e4list\u00e4\r\nvuorovaikutusta vahvan kytkenn\u00e4n rajalla. Vahvan kytkenn\u00e4n rajalla systeemin energiatilat\r\nmuodostavat uusia hybriditiloja. N\u00e4it\u00e4 uusia tiloja voidaan hy\u00f6dynt\u00e4\u00e4 mm. kemiallisten\r\nreaktioiden muokkaamisessa ja kvantti-informatioteknologiassa.\r\n\r\nEr\u00e4s SPP:en ominaisuus on, ett\u00e4 ne voivat l\u00e4hett\u00e4\u00e4 vain p-polarisoitunutta valoa.\r\nViimeaikaisissa tutkimuksissa on kuitenkin havaittu SPP\u2013molekyyli-systeemin l\u00e4hett\u00e4v\u00e4n\r\nmy\u00f6s s-polarisoitunutta valoa. Yksi t\u00e4m\u00e4n ty\u00f6n tavoitteista oli l\u00f6yt\u00e4\u00e4 prosessi, joka selitt\u00e4isi s-polarisoituneen valon mikroskooppisen alkuper\u00e4n. T\u00e4t\u00e4 varten muodostin systeemille markovilaisen kvanttimekaanisen master-yht\u00e4l\u00f6n Lindbladin muodossa.\r\n\r\nLindbladin yht\u00e4l\u00f6 kuvaa systeemin tiheysmatriisin aikakehityst\u00e4, kun systeemi on kytketty\r\nulkoiseen kylpyyn erilaisten dissipaatioprosessien my\u00f6t\u00e4. Tarkastelemassani systeemiss\u00e4\r\nt\u00e4llaisia dissipaatioprosesseja ovat SPP:n ja molekyylien viritystilojen purkautuminen ulkoiseen fotonikentt\u00e4\u00e4n. Vastaavasti ulkoinen fotonikentt\u00e4 voi viritt\u00e4\u00e4 systeemin hybriditilalle. Lis\u00e4sin Lindbladin yht\u00e4l\u00f6\u00f6n my\u00f6s prosessin, joka sekoittaa tilan kvanttimekaanisen vaiheen. Se v\u00e4hent\u00e4\u00e4 systeemin kvanttitilojen interferenssi\u00e4, mutta ei muuta systeemin energiaa. T\u00e4m\u00e4 prosessi syntyy elastista t\u00f6rm\u00e4yksist\u00e4 molekyylien ja metallin kidev\u00e4r\u00e4htelyiden, fononien, v\u00e4lill\u00e4. Toisaalta molekyylit ja fononit voivat my\u00f6s t\u00f6rm\u00e4t\u00e4 ep\u00e4elastisesti.\r\n\r\nRatkaisin Lindbladin yht\u00e4l\u00f6n numeerisesti kahden molekyylin tapauksessa. Numeerisen ratkaisun p\u00e4\u00e4tuloksena sain, ett\u00e4 kun dissipaatioprosessit tapahtuvat riitt\u00e4v\u00e4n hitaasti\r\nverrattuna systeemin sis\u00e4iseen kytkent\u00e4\u00e4n, tiheysmatriisin ei-diagonaaliset alkiot ovat niin\r\npieni\u00e4, ett\u00e4 ne voi j\u00e4tt\u00e4\u00e4 huomioimatta. Olettaen, ett\u00e4 ei-diagonaali alkiot ovat pieni\u00e4,\r\nl\u00f6ysin Lindbladin yht\u00e4l\u00f6n station\u00e4\u00e4risen ratkaisun, kun molekyylien lukum\u00e4\u00e4r\u00e4 on suuri.\r\nT\u00e4m\u00e4n tuloksen avulla huomasin, ett\u00e4 muodostamani termi kvanttimekaanisen vaiheen\r\nsekoittumiselle ei luo s-polarisoitunutta valoa.\r\n\r\nL\u00f6ysin Lindbladin yht\u00e4l\u00f6\u00f6n lis\u00e4tt\u00e4v\u00e4n termin, jonka seurauksena systeemi l\u00e4hett\u00e4\u00e4\r\ns-polarisoitunutta valoa. Esit\u00e4n, ett\u00e4 t\u00e4llainen termi voi olla korjaustermi, joka johtuu\r\nfotonikent\u00e4n \u00e4\u00e4rellisest\u00e4 korrelaatiopituudesta. T\u00e4m\u00e4 korjaus n\u00e4ytt\u00e4isi silt\u00e4 kuin molekyylit olisivat kytkeytyneet erillisiin fotonikenttiin. Ratkaisin analyyttisesti Lindbladin yht\u00e4l\u00f6n, joka sis\u00e4lsi korjaustermin, mutta ei vaiheen sekoittumista. Ratkaisun avulla sain suhteen eri polarisaatiosuuntiin l\u00e4hetetylle valolle, t\u00e4m\u00e4 suhde riippuu mm. SPP:n polarisaatiosta ja dissipaatioprosessien nopeuksista.\r\n\r\nTy\u00f6ssa saatujen tulosten avulla voidaan jatkaa SPP\u2013molekyyli-systeemin teoreettisen\r\nmallin kehityst\u00e4. T\u00e4rke\u00e4\u00e4 on ymm\u00e4rt\u00e4\u00e4 tarkemmin lis\u00e4tyn korjaustermi mikroskooppinen\r\nperusta, jotta mallia voi testata kokeellisesti, sek\u00e4 pohtia muita mahdollisia Lindblad\r\nyht\u00e4l\u00f6n termej\u00e4.", "language": "fi", "element": "description", "qualifier": "abstract", "schema": "dc"}, {"key": "dc.description.abstract", "value": "This thesis provides an introduction to strong coupling between surface plasmon polaritons\r\n(SPP) and molecules. In the strong coupling limit the energy levels of the system change\r\nto form new hybridstates. These new states can be used for example to control chemical\r\nreactions and in quantum-information technology. One property of the SPPs is that they\r\ncan only be p-polarized. However, in recent experiments the strong coupling system has\r\nbeen found to also emit s-polarized light. One goal of this thesis is to find a process that\r\nwould explain the microscopic origin of the s-polarized light. We construct a Markovian\r\nquantum master equation of the Lindblad kind for the strong coupling system. Lindblad\r\nequation is describes the time evolution of the density matrix of the system, when the\r\nsystem is coupled to an external bath through dissipative processes. The Lindblad equation\r\nthat we construct includes decay of the SPP and molecules into an external photon field,\r\ndephasing process and inelastic scattering of the molecules with phonons. The dephasing\r\nprocess causes loos of interference in the system but does not change energy. Using both a\r\nnumerical and an analytical treatment of the Lindblad equation we find that dephasing is\r\nnot enough to produce s-polarized light. We are able to find a Lindblad term that allows\r\nthe emission of s-polarised light. We argue that this term is a correction due to the finite\r\ncorrelation length of the external photon field.", "language": "en", "element": "description", "qualifier": "abstract", "schema": "dc"}, {"key": "dc.description.provenance", "value": "Submitted using Plone Publishing form by Aili Asikainen (aiemasik) on 2016-11-10 09:59:50.738825. Form: Pro gradu -lomake (https://kirjasto.jyu.fi/julkaisut/julkaisulomakkeet/pro-gradu-lomake). JyX data: [jyx_publishing-allowed (fi) =True]", "language": "en", "element": "description", "qualifier": "provenance", "schema": "dc"}, {"key": "dc.description.provenance", "value": "Submitted by jyx lomake-julkaisija (jyx-julkaisija.group@korppi.jyu.fi) on 2016-11-10T09:59:51Z\r\nNo. of bitstreams: 2\r\nURN:NBN:fi:jyu-201611104604.pdf: 1509935 bytes, checksum: 4c26e54042f76e5ffec5a45737f8a57f (MD5)\r\nlicense.html: 4851 bytes, checksum: 8c2038b98846a7f0ec35157d9b5a74cc (MD5)", "language": "en", "element": "description", "qualifier": "provenance", "schema": "dc"}, {"key": "dc.description.provenance", "value": "Made available in DSpace on 2016-11-10T09:59:51Z (GMT). No. of bitstreams: 2\r\nURN:NBN:fi:jyu-201611104604.pdf: 1509935 bytes, checksum: 4c26e54042f76e5ffec5a45737f8a57f (MD5)\r\nlicense.html: 4851 bytes, checksum: 8c2038b98846a7f0ec35157d9b5a74cc (MD5)\r\n Previous issue date: 2016", "language": "en", "element": "description", "qualifier": "provenance", "schema": "dc"}, {"key": "dc.format.extent", "value": "1 verkkoaineisto (53 sivua)", "language": null, "element": "format", "qualifier": "extent", "schema": "dc"}, {"key": "dc.format.mimetype", "value": "application/pdf", "language": null, "element": "format", "qualifier": "mimetype", "schema": "dc"}, {"key": "dc.language.iso", "value": "eng", "language": null, "element": "language", "qualifier": "iso", "schema": "dc"}, {"key": "dc.rights", "value": "In Copyright", "language": "en", "element": "rights", "qualifier": null, "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.other", "value": "pintaplasmonipolaritonit", "language": null, "element": "subject", "qualifier": "other", "schema": "dc"}, {"key": "dc.title", "value": "Strong coupling between surface plasmon polaritons and molecules : Lindblad equation approach", "language": null, "element": "title", "qualifier": null, "schema": "dc"}, {"key": "dc.type", "value": "master thesis", "language": null, "element": "type", "qualifier": null, "schema": "dc"}, {"key": "dc.identifier.urn", "value": "URN:NBN:fi:jyu-201611104604", "language": null, "element": "identifier", "qualifier": "urn", "schema": "dc"}, {"key": "dc.type.ontasot", "value": "Pro gradu -tutkielma", "language": "fi", "element": "type", "qualifier": "ontasot", "schema": "dc"}, {"key": "dc.type.ontasot", "value": "Master\u2019s thesis", "language": "en", "element": "type", "qualifier": "ontasot", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.faculty", "value": "Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta", "language": "fi", "element": "contributor", "qualifier": "faculty", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.faculty", "value": "Faculty of Sciences", "language": "en", "element": "contributor", "qualifier": "faculty", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.department", "value": "Fysiikan laitos", "language": "fi", "element": "contributor", "qualifier": "department", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.department", "value": "Department of Physics", "language": "en", "element": "contributor", "qualifier": "department", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.organization", "value": "University of Jyv\u00e4skyl\u00e4", "language": "en", "element": "contributor", "qualifier": "organization", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.organization", "value": "Jyv\u00e4skyl\u00e4n yliopisto", "language": "fi", "element": "contributor", "qualifier": "organization", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.discipline", "value": "Fysiikka", "language": "fi", "element": "subject", "qualifier": "discipline", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.discipline", "value": "Physics", "language": "en", "element": "subject", "qualifier": "discipline", "schema": "dc"}, {"key": "dc.date.updated", "value": "2016-11-10T09:59:52Z", "language": "", "element": "date", "qualifier": "updated", "schema": "dc"}, {"key": "yvv.contractresearch.funding", "value": "0", "language": "", "element": "contractresearch", "qualifier": "funding", "schema": "yvv"}, {"key": "dc.type.coar", "value": "http://purl.org/coar/resource_type/c_bdcc", "language": null, "element": "type", "qualifier": "coar", "schema": "dc"}, {"key": "dc.rights.accesslevel", "value": "openAccess", "language": "fi", "element": "rights", "qualifier": "accesslevel", "schema": "dc"}, {"key": "dc.type.publication", "value": "masterThesis", "language": null, "element": "type", "qualifier": "publication", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.oppiainekoodi", "value": "4021", "language": null, "element": "subject", "qualifier": "oppiainekoodi", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.yso", "value": "molekyylit", "language": null, "element": "subject", "qualifier": "yso", "schema": "dc"}, {"key": "dc.format.content", "value": "fulltext", "language": null, "element": "format", "qualifier": "content", "schema": "dc"}, {"key": "dc.rights.url", "value": "https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/", "language": null, "element": "rights", "qualifier": "url", "schema": "dc"}, {"key": "dc.type.okm", "value": "G2", "language": null, "element": "type", "qualifier": "okm", "schema": "dc"}]
id jyx.123456789_51851
language eng
last_indexed 2025-02-18T10:54:56Z
main_date 2016-01-01T00:00:00Z
main_date_str 2016
online_boolean 1
online_urls_str_mv {"url":"https:\/\/jyx.jyu.fi\/bitstreams\/20d25811-a45d-4543-b1ae-623170dde15c\/download","text":"URN:NBN:fi:jyu-201611104604.pdf","source":"jyx","mediaType":"application\/pdf"}
publishDate 2016
record_format qdc
source_str_mv jyx
spellingShingle Asikainen, Aili Strong coupling between surface plasmon polaritons and molecules : Lindblad equation approach pintaplasmonipolaritonit Fysiikka Physics 4021 molekyylit
title Strong coupling between surface plasmon polaritons and molecules : Lindblad equation approach
title_full Strong coupling between surface plasmon polaritons and molecules : Lindblad equation approach
title_fullStr Strong coupling between surface plasmon polaritons and molecules : Lindblad equation approach Strong coupling between surface plasmon polaritons and molecules : Lindblad equation approach
title_full_unstemmed Strong coupling between surface plasmon polaritons and molecules : Lindblad equation approach Strong coupling between surface plasmon polaritons and molecules : Lindblad equation approach
title_short Strong coupling between surface plasmon polaritons and molecules
title_sort strong coupling between surface plasmon polaritons and molecules lindblad equation approach
title_sub Lindblad equation approach
title_txtP Strong coupling between surface plasmon polaritons and molecules : Lindblad equation approach
topic pintaplasmonipolaritonit Fysiikka Physics 4021 molekyylit
topic_facet 4021 Fysiikka Physics molekyylit pintaplasmonipolaritonit
url https://jyx.jyu.fi/handle/123456789/51851 http://www.urn.fi/URN:NBN:fi:jyu-201611104604
work_keys_str_mv AT asikainenaili strongcouplingbetweensurfaceplasmonpolaritonsandmoleculeslindbladequationapproach