Optical near field interaction of spherical quantum dots

Abstract

Nano ölçekli malzemeler ileri fotonik cihazlar yapmak için kullanılabilir. Yeni ortaya konulan optik yakın alanlardan (OYA) faydalanılmadıkça, bilinen uzak alan ışığı kullanılarak, fotonik cihazların boyutu kırınım sınırının altına indirilemez. OYA nanometrik parçacıkların yüzeyi üzerinde yerelleşmiş, malzemeye bağlı, kütlesiz olmayan ve ışık madde etkileşimi sonucunda kendisini döşenmiş fotonlar şeklinde gösteren bir alandır. Bu tez çalışmasında, optik uyarılma transferi sağlamak için, farklı boyutlu kuantum noktalarından oluşan OYA etkileşimli bir sistemi teorik olarak inceledik. Burada, enerji aktarımı kuantum nokta boyutlarının belirli bir oranı için giyinmiş foton alışverişi yoluyla küçük kuantum noktasının taban seviyyesi ve büyük kuantum noktasının ilk uyarılmış dipol yasaklı seviyyesi arasındaki optik yakın alan etkileşimi aracılığıyla rezonans enerji aktarımı ile açıklanabilir. İzdüşüm operatörü yöntemini kullanarak, ilk kez güçlü sınırlandırma bölgesinde bir seviyyeden diğerine aktarılan enerji için gereken formalizmi türetdik. CdSe, CdTe, CdSe/ ZnS ve PbSe malzemelerinden yapılan küresel kolloidal kuantum noktaları için optik yakın alan enerji aktarım hızının sayısal analizini yaptık. Kuantum noktalarının dipol yasaklı seviyelerine enerji aktarım süresinin, kuantum noktalarında bulunan eksitonların ışınımsal ömür süresinden yeterince kısa olduğunu hesapladık. Bu OYA modeli, yakın alan fotonik cihazlarında kullanılacak kuantum nokta sistemlerinin tasarımı ve anlaşılması için çok önemlidir.

Nanometer-sized materials can be used to make advanced photonic devices. However, as far as the conventional far-field light is concerned, the size of these photonic devices cannot be reduced beyond the diffraction limit of light, unless emerging optical near-fields (ONF) are utilized. ONF is the localized field on the surface of nanometric particles, manifesting itself in the form of dressed photons as a result of light-matter interaction, which are bound to the material and not massless. In this thesis, we theoretically study a system composed of different-sized quantum dots involving ONF interactions to enable optical excitation transfer. Here this is explained by resonance energy transfer via an optical near-field interaction between the lowest state of the small quantum dot and the first dipole-forbidden excited state of the large quantum dot via the dressed photon exchange for a specific ratio of quantum dot size. By using the projection operator method, we derived the formalism for the transfered energy from one state to another for strong confinement regime for the first time. We performed numerical analyses of the optical near-field energy transfer rate for spherical colloidal quantum dots made of CdSe, CdTe, CdSe/ZnS and PbSe. We estimated that the energy transfer time to the dipole forbidden states of quantum dot is sufficiently shorter than the radiative lifetime of excitons in each quantum dot. This model of ONF is essential to understanding and designing systems of such quantum dots for use in near-field photonic devices.