Ultrafast photo-induced symmetry breaking in plasmonic nanostructures

In the last decades, the need for a theoretical in-depth understanding of the complex dynamics of light-matter interaction at the nanoscale in the ultrafast time regime has dramatically risen. The scopes of the present work fall in the wake of the investigation on such interactions. The main aim of the project has been to develop in time domain a fully-consistent semiclassical model for the electromagnetic response of a metallic resonant nanostructure when excited by an intense fs-pulse, including the ultrafast electronic reshaping and subsequent photo-induced modification of the material optical properties. By means of such a quantitative description, self-induced effects such as the saturation of absorption mechanism can be naturally accounted for. Also, the model here reported properly accounts for the spatio-temporal dynamics of hot carriers and phonons at the nanoscale. The ultrafast spatial effects belonging to electronic and thermal excitation diffusion can thus be explored. Importantly, the model does not simply provide a quantitative correction to the common modelling of the photo-thermal dynamics of the light-matter interaction, but it is able to predict new phenomena related to the non-uniform distribution of materials optical properties, which is impossible to retrieve from any homogeneous model. By implementing numerically the model in the form of a virtual pump-probe experiment, the existence of an unexplored nonlinear regime where transient spatial inhomogeneities at the nanoscale have a key-role has been disclosed. A phenomenon of ultrafast symmetry breaking in highly symmetric Au nanostructures, fingerprint of the non-uniform modulation of the metal optical properties, is revealed. Thanks to the model here reported, potential applications to all-optical modulation, photovoltaics and light harvesting with plasmonic nanoparticles, semiconductor nanoantennas and related metasurfaces can be addressed.

Negli ultimi decenni, con il progressivo sviluppo delle cosiddette nanoscienze, si è imposta con decisione la necessità di una dettagliata comprensione teorica della dinamica d’interazione luce-materia alla nanoscala. Gli obiettivi del presente lavoro si situano nell'alveo dello studio di tale interazione. Scopo del progetto è stato sviluppare, nel dominio del tempo, un modello semiclassico auto-consistente della risposta elettromagnetica di una nanostruttura metallica risonante in presenza di un impulso ottico della durata di qualche decina di fs, che includesse le modificazioni foto-indotte della popolazione elettronica e dunque delle proprietà ottiche del materiale, nonché la distribuzione spaziale di tali modificazioni all'interno della nanostruttura. Con tale descrizione quantitativa, è possibile tener conto di effetti auto-indotti come la saturazione dell’assorbimento alla nanoscala. Inoltre, il modello che qui si riporta include la dinamica spazio-temporale di portatori eccitati e fononi ed esplora così effetti spaziali ultraveloci connessi alla diffusione dell’eccitazione elettronica e termica alla nanoscala. Il modello non si limita a fornire una correzione quantitativa dei modelli precedenti, ma è in grado di predire nuovi fenomeni puramente legati alla distribuzione non uniforme delle proprietà ottiche, impossibili da descrivere con modelli omogenei. Applicando dunque il modello alla simulazione di un esperimento di pump-probe virtuale, è stato scoperto un regime nonlineare in cui le inomogeneità spaziali transienti alla nanoscala risultano determinanti. Si tratta di una rottura ultraveloce della simmetria in strutture d’oro fortemente simmetriche, segno della modulazione non uniforme delle proprietà ottiche del metallo. Il modello può essere potenzialmente utilizzato in svariati ambiti applicativi quali la modulazione tutta ottica della luce, i sistemi di concentrazione della luce basati su effetti plasmonici e può essere esteso ad altri nanomateriali come nanoantenne a semiconduttore e metasuperfici.