Insights into the coupling mechanism between rare-earth ions and surface plasmon polaritons: a phenomenological approach

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Calderón, Gaston Lozano
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76134/tde-14042025-110633/
Resumo: The coupling between rare-earth ions and surface plasmon is a compelling subject, most notably demonstrated by luminescence enhancements. Nevertheless, current explanations for this phenomenon cite local field enhancements and energy transfer processes. Thus, the mechanisms responsible for this coupling are not yet fully elucidated and are giving rise to new concepts and effects in quantum plasmonics. This research investigates the coupling mechanisms between Er3+-doped tellurite glasses and plasmonic structures, focusing on three key aspects: absorption, emission, and polarization control. In the absorption context, the study explores quantum interference between Er3+ and surface plasmon absorption bands, employing the Fano resonance model to describe the coupling with an array of nanoslits. Regarding emission, enhancements in Er3+ near-infrared luminescence, i.e., the 4Ⅰ 13/2 ⟶ 4Ⅰ 15/2 transition centred at ≈ 1530 nm, are analysed through plasmon-photon coupling in glasses embedded with Au nanoparticles. This mechanism is examined at cryogenic temperatures, where the plasmonic response of the Au nanoparticles is intensified. Moreover, the study is extended using nanopillars-based structures, demonstrating cavity effects that modify the 1.53 μm emission of Er3+, resulting in a bandwidth increase of up to 143% and shifting of the relative Stark manifolds of the 4Ⅰ 13/2 and 4Ⅰ 15/2 levels. The polarization control of Er3+ near-infrared emissions strongly depends on local near-field enhancements, achieved through extraordinary optical transmission in bulls eye nanostructures. Therefore, this doctoral project provides an advanced understanding of the plasmonics of quantum emitters engineering.
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spelling Insights into the coupling mechanism between rare-earth ions and surface plasmon polaritons: a phenomenological approachSobre o mecanismo de acoplamento entre íons de terras raras e plasmon polaritons de superfície: uma abordagem fenomenológicaAcoplamentoCouplingEmissor quânticoPlasmônicaPlasmonicsQuantum emittersRare-earthsTellurite glassesTerras rarasVidros teluritosThe coupling between rare-earth ions and surface plasmon is a compelling subject, most notably demonstrated by luminescence enhancements. Nevertheless, current explanations for this phenomenon cite local field enhancements and energy transfer processes. Thus, the mechanisms responsible for this coupling are not yet fully elucidated and are giving rise to new concepts and effects in quantum plasmonics. This research investigates the coupling mechanisms between Er3+-doped tellurite glasses and plasmonic structures, focusing on three key aspects: absorption, emission, and polarization control. In the absorption context, the study explores quantum interference between Er3+ and surface plasmon absorption bands, employing the Fano resonance model to describe the coupling with an array of nanoslits. Regarding emission, enhancements in Er3+ near-infrared luminescence, i.e., the 4Ⅰ 13/2 ⟶ 4Ⅰ 15/2 transition centred at ≈ 1530 nm, are analysed through plasmon-photon coupling in glasses embedded with Au nanoparticles. This mechanism is examined at cryogenic temperatures, where the plasmonic response of the Au nanoparticles is intensified. Moreover, the study is extended using nanopillars-based structures, demonstrating cavity effects that modify the 1.53 μm emission of Er3+, resulting in a bandwidth increase of up to 143% and shifting of the relative Stark manifolds of the 4Ⅰ 13/2 and 4Ⅰ 15/2 levels. The polarization control of Er3+ near-infrared emissions strongly depends on local near-field enhancements, achieved through extraordinary optical transmission in bulls eye nanostructures. Therefore, this doctoral project provides an advanced understanding of the plasmonics of quantum emitters engineering.O acoplamento entre íons de terras raras e plasmons de superfície é um assunto interessante, demonstrado principalmente por aprimoramentos de luminescência. No entanto, as explicações atuais para esse fenômeno geralmente citam os aprimoramentos do campo local e os processos de transferência de energia. Assim, os mecanismos responsáveis por esse acoplamento ainda não foram totalmente elucidados e estão dando origem a novos conceitos e efeitos em plasmônica quântica. Esta pesquisa tem como objetivo estudar o mecanismo de acoplamento utilizando vidros teluritos dopados com Er3+ e estruturas plasmônicas em três contextos: absorção, emissão e controle de polarização. No contexto da absorção, o estudo explora a interferência quântica entre os íons Er3+ e as bandas de absorção de plasmones de superfície, empregando o modelo de ressonância de Fano para descrever o acoplamento com um arranjo de nanofendas. Quanto à emissão, aprimoramentos na luminescência no infravermelho próximo do Er3+, ou seja, a transição 4Ⅰ 13/2 ⟶ 4Ⅰ 15/2 centrada em ≈ 1530 nm, são analisadas através do acoplamento plasmonfóton com nanopartículas de Au embutidas em vidro telurito dopado com Er3+. Este mecanismo é examinado em temperaturas criogênicas, onde a resposta plasmônica das nanopartículas de Au é intensificada. Além disso, o estudo é estendido utilizando estruturas baseadas em nanopilares, demonstrando efeitos de cavidade que modificam a emissão de 1,53 μm do Er3+, resultando em um aumento na largura de banda de até 143% e deslocamento das intensidades relativas dos níveis Stark dos estados 4Ⅰ 13/2 e 4Ⅰ 15/2 . O controle de polarização das emissões no infravermelho próximo do Er3+ é mostrado para depender fortemente de melhorias no campo local próximo, alcançadas através de transmissão óptica extraordinária em estruturas nanoestruturadas tipo bull’seye. Portanto, esse projeto de doutorado proporciona uma compreensão avançada da plasmônica na engenharia de emissores quânticos.Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USPMarega Junior, EuclydesCalderón, Gaston Lozano2025-02-20info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttps://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76134/tde-14042025-110633/reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USPinstname:Universidade de São Paulo (USP)instacron:USPLiberar o conteúdo para acesso público.info:eu-repo/semantics/openAccesseng2025-04-14T18:47:01Zoai:teses.usp.br:tde-14042025-110633Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.teses.usp.br/PUBhttp://www.teses.usp.br/cgi-bin/mtd2br.plvirginia@if.usp.br|| atendimento@aguia.usp.br||virginia@if.usp.bropendoar:27212025-04-14T18:47:01Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)false
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description The coupling between rare-earth ions and surface plasmon is a compelling subject, most notably demonstrated by luminescence enhancements. Nevertheless, current explanations for this phenomenon cite local field enhancements and energy transfer processes. Thus, the mechanisms responsible for this coupling are not yet fully elucidated and are giving rise to new concepts and effects in quantum plasmonics. This research investigates the coupling mechanisms between Er3+-doped tellurite glasses and plasmonic structures, focusing on three key aspects: absorption, emission, and polarization control. In the absorption context, the study explores quantum interference between Er3+ and surface plasmon absorption bands, employing the Fano resonance model to describe the coupling with an array of nanoslits. Regarding emission, enhancements in Er3+ near-infrared luminescence, i.e., the 4Ⅰ 13/2 ⟶ 4Ⅰ 15/2 transition centred at ≈ 1530 nm, are analysed through plasmon-photon coupling in glasses embedded with Au nanoparticles. This mechanism is examined at cryogenic temperatures, where the plasmonic response of the Au nanoparticles is intensified. Moreover, the study is extended using nanopillars-based structures, demonstrating cavity effects that modify the 1.53 μm emission of Er3+, resulting in a bandwidth increase of up to 143% and shifting of the relative Stark manifolds of the 4Ⅰ 13/2 and 4Ⅰ 15/2 levels. The polarization control of Er3+ near-infrared emissions strongly depends on local near-field enhancements, achieved through extraordinary optical transmission in bulls eye nanostructures. Therefore, this doctoral project provides an advanced understanding of the plasmonics of quantum emitters engineering.
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