Silne sprzężenie światło-materia, które w ostatnich latach cieszy się szerokim zainteresowaniem badaczy na całym świecie, pozwala na modyfikację właściwości materiałów na poziomie fun- damentalnym. Tradycyjnie silne sprzężenie uzyskuje się za pomocą zewnętrznych wnęk op- tycznych, które zapewniają elastyczność w doborze oddziałujących komponentów. Jednak to podejście ma ograniczenia, takie jak konieczność stosowania zaawansowanych technik wyt- warzania i złożonych układów eksperymentalnych, co ogranicza skalowalność i praktyczne zastosowania. Alternatywnym podejściem jest auto-hybrydyzacja, która pozwala na współist- nienie modów optycznych i przejść ekscytonowych w tym samym materiale, eliminując w ten sposób potrzebę stosowania zewnętrznych wnęk. Auto-hybrydyzacja upraszcza wytwarzanie, zachowując jednocześnie zalety silnego sprzężenia, co prowadzi do wydajnych i kompaktowych rowiązań.
Niniejsza rozprawa doktorska bada silne sprzężenie między modami optycznymi a ekscy- tonami w auto-hybrydyzowanych, jednoosiowych hiperbolicznych nanosferoidach zbudowanych z materiałów wielowarstwowych. W pracy tej zawarto systematyczną analizę wpływu ge- ometrii, rozmiaru i składu materiałowego na zjawiska sprzężenia. Nanosferoidy charakteryzują się szerokim zakresem doboru kształtu od wydłużonych nanocząstek poprzez sferyczne do spłaszczonych. Metody numeryczne i obliczeniowe wykorzystane w tym badaniu obejmują techniki macierzy T i skończonej dziedziny czasu.
Pierwszą częścią oryginalnych badań jest analiza modów optycznych jednoosiowych hiper- bolicznych nanosferiod zbudowanych z wielowarstw srebra i krzemionki. Ich odpowiedź op- tyczna i sprzężenie modów są badane w odniesieniu do ich kształtu i wewnętrznej struktury, przy czym współczynnik kształtu zmienia się od 1/3 (wydłużony) przez 1 (sferyczny) do 3 (spłaszczony). Odpowiedź optyczna zależy od anizotropii materiału, kształtu i rodzaju oświ- etlenia. Wyniki pokazują, że w układzie występują dwa dominujące mody: dipol elektryczny (ED) sprzężony z kwadrupolem magnetycznym (MQ) oraz dipol magnetyczny (MD) sprzężony z kwadrupolem elektrycznym (EQ). Nanocząstki o spłaszczonym kształcie wykazują mniej korzystne własności modów optycznych w porównaniu z tym o wydłużonych i sferycznych geometriach.
Bazując na powyższych wynikach, druga część badań obejmuje auto-hybrydyzujące silne sprzężenie modów optycznych z ekscytonami w nanocząstkach o wydłużonych i sferycznych ge- ometriach. Zakłada się, że ekscytony są umieszczone w matrycy dielektrycznej, która wchodzi w skład warstwowego materiału hiperbolicznego. Nanocząstki wydłużone i sferyczne wykazują duże rozszczepienie Rabiego, umożliwiając silne sprzężenie modów optycznych (ED i MD) z ekscytonami. Wyniki pokazują, w jakich warunkach mody MD lub ED oferują silniejsze sprzężenie z przejściami ekscytonowymi lub molekularnymi w badanych nanocząstkach.
Bazując na wydajnym dipolu magnetycznym, trzecia część badań koncentruje się na ocenie praktycznej realizacji auto-hybrydyzacji w reżimie silnego sprzężenia modów MD z ekscyton- ami. W tej części badań wykorzystuje się dichalkogenki metali przejściowych jako składnik materiału hiperbolicznego: MoS2 (disiarczek molibdenu), MoSe2 (diselenek molibdenu), WS2 (disiarczek wolframu) i WSe2 (diselenek wolframu). Najpierw dokonano oceny ogólnych włas- ności ekscytonów dichalkogenków metali przejściowych z modami nanocząstek hiperbolicznych dla prostych materiałów dwuskładnikowych (srebro plus dichalkogenek), które jednak charak- teryzują się brakiem silnego sprzężenia z powodu rozstrojenia widmowego modów z ekscyton- ami. Aby rozwiązać to ograniczenie, wprowadzono dodatkową dielektryczną warstwę tworząc trójwarstwowy materiał hiperboliczny (srebro/krzemionka/dichalkogenek). Wyniki pokazują, że w nanocząstkach zbudowanych z takich materiałów silne sprzężenie z ekscytonami może być osiągnięte zarówno dla modu dipola magnetycznego jak i elektrycznego, co pokazano na przykładzie nanocząstki zbudowanej ze