Kırılma indisi güçlendirilmiş plazmonik aygıtlarda ışık yayılımı

Metal nanoparçacıkların (MNP) sahip olduğu optik özellikler, temelde lokalize yüzey plazmon rezonanslarıyla belirlenmektedir. Bir MNP'de, lokalize olmuş yüzey plazmonlarının frekansı; partikülün boyutu, geometrisi ve bulunduğu yerel ortamın kırılma indisine bağlıdır. MNP'ler birbirine nanometre mesafesinde bulundukları koşullarda, nanoparçacık çevresinde lokalize olmuş sıcak noktalar (hot spot) oluşur. Plazmonik sıcak noktalar, özellikle optik alanlarda önemli rol oynar. Örneğin, plazmonik sıcak noktaların oluştuğu metal yüzeyler, ışık yolculuğu sırasında ışık dalgalarının yoğunlaştırılmasına ve güçlenmesine neden olabilir. Plazmonik sıcak noktaların oluşumu, metal yüzeylerin şekline ve yapısına bağlıdır. Özellikle, metal yüzeylerin düzgün ve simetrik olması, plazmonik sıcak noktaların oluşumunu kolaylaştırır. MNP'ler bu sıcak noktalar aracılığıyla birbirleri ile etkileşebilirler. Bu etkileşimler, polarizasyon, duyulgunluk ve indis değişimi gibi birçok etkiye neden olmaktadır. Kırılma indisinin başka (yardımcı) bir ışık ile kontrol edilmesi, tüm fotonik teknolojilerini değiştirecektir. Bu tezde, böyle bir ortamda ışık yayılımı hem analitik hem de FDTD (finite difference time domain metodu) ile incelenmiştir. Bu tür bir inceleme sadece bu tarz fotonik cihazlarda ışık yayılımının örneklenmesi amacını içermemektedir. Aynı zamanda, bu tür bir sistemde gözlemlenebilecek yavaşlatılmış ışık (slow light) fenomeninin incelenmesi amaçlanmıştır. Yavaşlatılmış ışık konusu fotonik kristallerle daha önceden çalışılmış olup fotonik kristallerin fotonik bant aralığının bilinçli kusurlarla değiştirilmesi tekniğine dayanmaktadır. Ancak bu çalışmalar fotonik kristallerle yapıldığından hem değişimler çok küçük olmakta hem süreç çok hassasiyet istemekte ve aynı zamanda tersinir olmamalarından dolayı düşük proses verimliliğine götürmektedir. Plazmonik teknolojisi bu konudaki en etkili çözümü sunmaktadır. Bahsi geçen sistem sadece indeks güçlendirmesini değil, aynı zamanda sıfıra-yakın-epsilon (epsilon-near-zero, ENZ), yani indeksi sıfıra yakın, malzemeleri de incelemeyi vaadetmektedir. MNP yapısını değiştirmeden kontrol ışığı ile hem arttırılmış indeks hem de sıfıra-yakın-indeks elde edilebilmektedir. Literatürde çalışmaları oldukça kısıtlı olan bu alanda değişen senaryolarla birlikte elde edilen verilerin daha sonra oluşturulacak çalışmalar için temel oluşturma etkisi bulunmaktadır. Bu çalışmayla birlikte, gümüş nanocubuklarda plazmonik etkiyle birlikte değişen kırma indisinin hem sonlu fark zaman alanı metoduyla hem de analitik olarak çözümü incelenmiştir. Bu sayede gümüş nanocubuklarla kurulan bu sistemde değişen kırma indisiyle birlikte değişen grup hızları incelenmiştir. Tez kapsamında yapılan analitik temelli ve simülasyon temelli çalışmalar sayesinde birbiriyle tutarlı ve anlamlı sonuçlar elde edilmiştir. Çalışmalar yardımcı bir ışık yardımıyla tüm bunların yapılabileceği gösterilmiştir. Şaşırtıcı ve değerli olan kontrol (Ex) kaynağının normal şartlarda sinyalin (Ey) polarizasyonu üzerinde bir etkisi olamayacak konumda olmasına rağmen sinyal (Ey) üzerinde değişiklik yaratmasıdır. Bunun nedeni direkt olarak kontrol (Ex); y eksenli rodun uzun eksen uçlarındaki polarizasyona katkı vermemesine rağmen sıcak noktada meydana gelen değişimin indirekt olarak sinyal (Ey) üzerindeki etkisidir. Simülasyon ilk olarak, sinyal ve kontrol kaynaklarının genliklerinin oranlarının 1 olduğu durumda incelenmiştir. Devamında ise farklı genlik oranları kullanılıp (1, 10, 100, 200) sistemin sıcak nokta çevresindeki tepkisi incelenmiştir. Buradaki incelemelerde kontrol kaynağın değişen genliğiyle kontrole dik olan sinyal kaynağıyla aynı yönde polarizasyon değişimi gözlemlenmiştir. Normal şartlarda kontrol kaynağındaki genlik değişiminin sinyalle aynı yönlü polarizasyonda bir değişim yaratması beklenmemektedir. Ancak eşleşme (coupling) dolayısıyla sinyal kaynağı sabit olduğu durumda dahi değişen kontrol genliğinin sinyal kaynağıyla aynı yönlü polarizasyona katkı sağladığı gözlenmiştir. Anormal dispersiyon, ESY ve diğer parametrelerin tamamının gözlenmesi tamamen bu etkiden kaynaklanmaktadır. Birbiriyle tutarlı olan bu çalışma neticesinde ilerde yapılabilecek deneysel çalışmalara temel oluşturulmuştur.