Study of Fourier optical cavities for the confinement of exciton

This thesis explores, within the framework of light matter interaction, the ability of different Fourier optical cavities to confine excitons by making them experience a periodic potential, which is generated by the vacuum oscillations of the electromagnetic field. Fourier cavities are a novel optical structure where one of the surfaces of a conventional cavity is patterned with a sinusoidal shape: exploiting this discrete translational symmetry, the light dispersion bends, forming a periodic band structure akin to the electronic structure of a solid state system. In order to explore its eigenmodes, numerical simulations with COMSOL® and its MAN package, are carried out. In this regard, the materials that make up the cavity are studied and simulated via fully ab initio calculations, thanks to the GPAW and the Quantum Espresso codes. Finally, the exploration of the cavity eigenmodes is also carried out by nanofabricating a prototype of dielectric hBN cavity: the nano lithographic technique used is the temperature scanning probe litography, tSPL, on a PPA layer placed on top of the hBN flake. The outcome of this work is the calculation of the cavities eigenmodes, which could be later used to calculate the coupling coefficient with the excitons: the theoretical steps are introduced, but the calculation itself is open for future developments. Regarding the experimental work, after performing optical measures on the samples, the system of substrate, hBN, and PPA is found not to work. The reason lies in the nanofabrication: a future development should either use a different technique, different substrate, or etch the flake to directly carve the pattern on hBN.

Questa tesi esplora, all’interno dello studio dell’interazione luce-materia, la possibilità di usare cavità ottiche di Fourier per confinare eccitoni attraverso la creazione, mediante le oscillazioni di vuoto del campo elettromagnetico, di un potenziale periodico. Per cavità di Fourier si intende una normale cavità ottica, la cui superficie superiore ha però una forma sinusoidale: sfruttando la discreta simmetria translazionale che ne consegue, la dispersione della luce risulta piegata, e così si viene a formare una struttura a bande simile al caso dei solidi cristallini. Per studiare le soluzioni dell’equazione di Maxwell all’interno di tali cavità, sono state fatte simulazioni con COMSOL® e il relativo pacchetto MAN. A tal proposito, i materiali costitutivi della cavità sono stati studiati con conti ab initio, grazie ai codici GPAW e Quantum Espresso. Infine, lo studio dei modi di cavità è portato avanti anche dal punto di vista sperimentale, con la nanofabbricazione di una cavità dielettrica di hBN. Per ricavare la forma sinusoidale, è stata usata la tecnica nanolitografica conosciuta come tSPL su uno strato di PPA posto sopra il fiocco di hBN. Il risultato di questa tesi è il calcolo dei modi propri della cavità, che potranno essere usati per il conto delle costanti di accoppiamento con gli eccitoni: la procedura teorica è introdotta, ma il calcolo in sé è lasciato a futuri sviluppi. Per quanto riguarda il lavoro sperimentale, a seguito di misure ottiche sui campioni fabbricati, il sistema composto da substrato, hBN, e PPA è risultato non funzionante. La ragione sta nella nanofabbricazione: per future implementazioni sarà necessario usare o una tecnica differente, o un diverso substrato, oppure ancora transferire la forma sinusoidale da PPA a hBN con etching.