23658

PHY3 152

دكتري

فيزيك

علوم

1403/3/21

147 ص

مالك باقري هاروني

پلاسمونيك كوانتومي , سامانه‌هاي آميخته , حد سرعت كوانتومي , ديناميك غير ماركوفي , ديناميك كوانتومي

اين رساله به بررسي وابستگي ويژگي‌هاي ديناميكي يك گسيلنده كوانتومي به هندسه و جنس نانوساختار پلاسموني مستقر در محيط اطرافش، پرداخته است. برهم‌كنش تابش الكترومغناطيسي با فلزات در بسامدهاي اپتيكي مي‌تواند نوسانات چگالي بار گاز الكترون آزاد درون ماده را افزايش مي‌دهد. به كوانتاي اين نوسانات، پلاسمون پلاريتون مي‌گويند. برانگيختگي پلاسمون پلاريتون‌هاي سطحي، منجر به ميدان اپتيكي نزديكِ به شدت افزايش يافته در سطح فلز مي‌شود. با قرار دادن يك گسيلنده كوانتومي در مجاورت اين برانگيختگي‌ها، با يك سامانه باز كوانتومي روبرو مي‌شويم. ديناميك سامانه‌ باز كوانتومي توسط يك تحول زماني غيريكاني بيان مي‌شود. تقريب ماركوف، كه معمولاً در مواردي از جمله ضعيف بودن جفت‌شدگي سامانه-محيط، حمام‌هاي بي‌نهايت، دماهاي بالا يا كوچك بودن همبستگي‌هاي ابتدايي در حالت اوليه سامانه-محيط به كار مي‌رود، ممكن است نقض شده و ديناميك‌ غير ماركوفي شود. اگر ديناميك غير ماركوفي شود، اثرهاي حافظه، يعني بازيابي همبستگي‌هاي از دست رفته‌ي سامانه در حين برهم‌كنش با محيط، خود را در ديناميك نمايش مي‌دهند. توانايي كنترل گذار ديناميك از ماركوفي به غير ماركوفي و بالعكس، امكان كنترل اثرهاي حافظه را فراهم مي‌كند. از سويي ديگر، اصل عدم قطعيت، حدي بر سرعت تحول مشاهده‌پذيرها اعمال مي‌كند كه تحت عنوان حد سرعت كوانتومي شناخته مي‌شود. در پردازش اطلاعات كوانتومي، توانايي تبديل يك حالت به يك حالت متعامد بر خودش جزو گام‌هاي ابتدايي فرآيند محاسبه در نظر گرفته مي‌شود و دانستن مدت زمان انجام اين تبديل سرعت پردازش را مشخص مي‌كند. در اين رساله، وابستگي سه سنجه‌ غير ماركوفي و سنجه حد سرعت كوانتومي به هندسه و جنس نانوساختار پلاسمونيكي بررسي شده است. نانوساختارهاي مورد بررسي داراي سه هندسه نانوكره، نانوساختار هسته-پوسته كروي، و نانوديسك هستند. نانوكره از فلزهاي نجيب پلاسمونيكي طلا و نقره، نانوساختار هسته-پوسته كروي از هسته‌اي با جنس سولفيد طلا و پوسته‌هايي از جنس طلا و نقره، و نانوديسك‌ از مواد پلاسمونيكي دوبعدي گرافن و دي‌سولفيد موليبدنيم، ساخته شده‌اند. مطابق نتايج كار، ديناميك گسيل خودبه‌خودي در فواصل نزديك به نانو ساختار به شدت غيرماركوفي است و هرچه از نانو ساختار دورتر شود، مقدار سنجه به صفر ميل مي‌كند. حد سرعت كوانتومي نيز با افزايش فاصله بين گسيلنده و نانو ساختار افزايش يافته و برابر با زمان تحول سامانه مي‌شود. از طرف ديگر، وابستگي سنجه غير ماركوفي و زمان حد سرعت كوانتومي به پارامترهاي هندسي نشان از آن دارد كه با دست‌ورزي و تغيير اين پارامترها مي‌توان اين كميت‌ها را كنترل كرد. از اين رو، مي‌توان در اين سامانه‌ها نوع ديناميك و سرعت تحول آن‌ها را كاهش يا افزايش داد. به علاوه، يكي از مهمترين نتيجه‌هاي اين رساله، به دست آوردن فاصله گذار ديناميك از غير ماركوفي به ماركوفي و مقايسه اين فاصله به ازاي هندسه‌ها و مواد پلاسموني مختلف است.

Quantum Plasmonics , Hybrid Systems , Quantum Speed Limit , Non-Markovian Dynamics , Quantum Dynamics

Non-Markovian nature and quantum speed limit and their control in quantum plasmonic systems

فيزيك

This thesis explores the interplay between the dynamic characteristics of a quantum emitter and the geometry and material composition of the surrounding plasmonic nanostructure. Electromagnetic radiation interacting with metals at optical frequencies has the potential to intensify the charge density oscillations of the free electron gas within the material. These oscillations, termed plasmon polaritons, induce a markedly amplified optical field in close proximity to the metal surface. The presence of a quantum emitter in the vicinity of these excitations results in an open quantum system, whose dynamics are described by a non-unitary temporal evolution. The Markovian approximation, typically applied under weak system-environment coupling, infinite baths, elevated temperatures, or minimal correlations in the initial system-environment state, may falter, leading to non-Markovian dynamics. The emergence of non-Markovian dynamics highlights memory effects, characterized by the restoration of systemʹs attenuated correlations during interaction with the environment. Manipulating the transition between Markovian and non-Markovian dynamics confers control over memory effects. Simultaneously, the uncertainty principle imposes constraints on the speed of observables evolution, encapsulated by the quantum speed limit. In quantum information processing, transitioning a state to an orthogonal state is crucial, as the duration of this transformation determines the processing speed. This thesis scrutinizes the dependence of three non-Markovian measures and the quantum speed limit on the geometry and material composition of plasmonic nanostructures. Examined nanostructures encompass three geometries: nanospheres, spherical core-shell nanostructures, and nanodisks. Nanospheres, comprising plasmonic noble metals like gold and silver, coalesce with spherical core-shell nanostructures, featuring a core of gold sulfide and shells of gold and silver, as well as nanodisks, fashioned from two-dimensional plasmonic materials such as graphene and molybdenum disulfide. Findings unveil the pronouncedly non-Markovian dynamics of spontaneous emission proximate to the nanostructure, diminishing with increasing distance. Moreover, the quantum speed limit escalates with emitter-nanostructure separation, eventually aligning with the systemʹs evolution time. Furthermore, the correlation between non-Markovian measures and the quantum speed limit and geometric parameters suggests manipulability through parameter alteration, thereby modulating dynamics and evolution speed within these systems. Significantly, a key outcome of this thesis is the delineation of the dynamic transition distance from non-Markovian to Markovian dynamics, contrasted across diverse plasmonic geometries and materials.

4

33437