Optical antennas control light emission

Abstract

The emission of light is at the heart of both fundamental science and technological applications. At its origin lie electronic transitions in nanoscale materials such as molecules, atoms and semiconductors. The interaction of light with such single quantum emitters is inefficient because of their point-like character. Efficient interfaces between light and nanoscale matter are therefore necessary. Inspired by the effective communication between small electronic circuits enabled by radio-frequency antenna technology, an emitter can be addressed efficiently with a nanoantenna, an optical element that converts localized energy into propagating radiation. The control of light emission with such optical antennas is the topic of this Thesis. By coupling an emitter to a metal antenna, the emission properties are determined by the antenna mode in direction, transition rates, polarization, and spectrum. In Chapter 1, we set out the basic concepts of optical antenna theory. To couple an emitter to an antenna, it must be within its near field. In Chapter 2, we introduce a nanofabrication method to place quantum dots on metal nanostructures with high spatial accuracy. The resulting emitter-antenna systems are imaged by confocal microscopy and their angular radiation patterns directly recorded. This combination of experimental methods allows us to study any optical antenna. A metal wire is the canonical antenna design and the basis to understand and construct other optical antennas. Through selective coupling of a quantum dot to the resonant modes of a nanowire, we demonstrate in Chapter 3 that the emission of a dipolar source can be converted controllably into higher multipolar radiation. We describe the antenna as a standing-wave resonator for plasmons and reproduce its emission with a multipolar expansion. An aperture in a metal film can be regarded as the complementary structure of a wire. In Chapter 4, we address the emission of light through a rectangular nanoaperture as an antenna problem. We demonstrate, explicitly, that resonant nanoslot antennas display a magnetic dipole response. Such antennas offer an efficient interface between emitters and surface plasmons. The excitation or detection of a dipolar emitter from the far field involves large solid angles. To address quantum emitters efficiently, a low divergence of their radiation patterns is needed. To this end, in Chapter 5 we develop and realize unidirectional optical antennas. We show how the emission of a quantum emitter is directed by multi-element Yagi-Uda and log-periodic optical antennas and demonstrate directional operation of a single-element design based on a splitring resonator. Light emission usually occurs through electric dipole transitions because multipolar emission rates are orders of magnitude slower. In some materials, however, multipolar optical transitions do occur. In Chapter 6, we assess through simulations the feasibility of enhancing magnetic dipole and electric quadrupole transitions with several realistic nanoantenna designs. The results in this Thesis demonstrate the potential of optical antennas as elements to control light on the nanoscale, based on radio and microwave antenna engineering. Within this powerful paradigm, the interaction of light with nanoscale matter can be tailored with complete flexibility. Such a degree of control over light emission and absorption may have a practical impact in spectroscopy, sensing, display technologies, lighting, photovoltaics, and general optical and optoelectronic devices.

La emisión de luz radica en el corazón tanto de la ciencia fundamental como de varias aplicaciones tecnológicas. En su origen están las transiciones electrónicas en nanomateriales como moléculas, átomos y semiconductores. La interacción de la luz con uno de estos emisores cuánticos es ineficiente debido a su carácter puntual. Es necesario, por tanto, desarrollar interfaces más eficientes entre la luz y la materia de tamaño nanoscópico. Inspirándonos en la comunicación entre pequeños circuitos electrónicos que permiten las antenas de radio, se puede interactuar más eficientemente con un emisor utilizando una nanoantena como elemento óptico que convierte la energía localizada en radiación propagante. Esta Tesis trata sobre el control de la emisión de luz con tales antenas ópticas. Acoplando un emisor a una antena metálica, las propiedades de la emisión pasan a estar determinadas por el modo de la antena en dirección, tasas de transición, polarización y espectro. En el Capítulo 1, establecemos las nociones básicas de la teoría de antenas ópticas. Para acoplar un emisor a una antena, éste debe encontrarse en su campo cercano. En el Capítulo 2, presentamos un método de nanofabricación para posicionar puntos cuánticos sobre nanoestructuras metálicas con alta resolución espacial. Para caracterizar los sistemas emisor-antena resultantes, adquirimos imágenes mediante microscopía confocal y medimos sus patrones angulares de radiación. Esta combinación de métodos experimentales nos permite el estudio de cualquier antena óptica. El diseño canónico de una antena es un cable metálico. Es la base para entender y construir otras antenas ópticas. Mediante acoplamiento selectivo de un punto cuántico a los modos resonantes de un nanocable, en el Capítulo 3 demostramos que la emisión de una fuente dipolar puede ser convertida en radiación multipolar controladamente. Describimos la antena como un resonador de onda estacionario para plasmones y reproducimos su emisión con una expansión multipolar Se puede considerar una apertura en una película metálica como la estructura complementaria de un cable. En el Capítulo 4, tratamos la emisión de luz a través de una apertura rectangular como un problema de antenas. Demostramos, explícitamente, que una nano-ranura resonante posee respuesta dipolar magnética. Estas antenas permiten una conversión eficiente entre emisores de fotones y plasmones superficiales. La excitación o detección de un emisor dipolar conlleva ángulos sólidos grandes. Para abordar un emisor cuántico individual eficientemente desde el campo lejano, se requieren patrones angulares con una baja divergencia. Con estre fin, en el Capítulo 5 desarrollamos e implementamos antenas ópticas unidireccionales. Demostramos cómo la emisión de un emisor cuántico puede ser dirigida por antenas multi-elemento de Yagi-Uda y logarítmicas periódicas y observamos direccionalidad en una antena compuesta por un único elemento con forma de diapasón. La emisión de luz ocurre normalmente a través de transiciones de dipolo eléctrico porque las tasas de emisión multipolares son, por lo general, mucho más lentas. Sin embargo, en algunos materiales se pueden observar transiciones multipolares. En el Capítulo 6, evaluamos la posibilidad de mejorar la emisión de transiciones dipolares magnéticas y cuadrupolares eléctricas mediante distintos diseños realistas de antenas ópticas. Los resultados de esta Tesis demuestran el potencial de las antenas ópticas como elementos para el control de la luz a escalas nanométricas, basadas en la ingeniería de antenas de radio y microondas. Dentro de este paradigma, se puede manipular la interacción de la luz con la materia con total flexibilidad. Tal grado de control sobre la emisión y la absorción de la luz podría tener un gran impacto práctico en espectroscopía, sensores, pantallas, iluminación, energía fotovoltaica y todo tipo de dispositivos ópticos y optoelectrónicos