Plazmoniczne wzmocnienia w fizyce ekscytonów rydbergowskich

Elektron walencyjny w półprzewodniku może przejść do pasma przewodnictwa po absorpcji fotonu o dostatecznej energii. Po elektronie pozostaje dziura, traktowana jak dodatnio naładowana cząstka, a elektron staje się swobodny. Jeśli jednak energia fotonu będzie odrobinę niższa, to elektron nie uwolni się całkowicie, lecz będzie związany z dziurą przyciąganiem elektrostatycznym. Taka para elektron-dziura to tzw. ekscyton - twór o własnościach zbliżonych do atomu wodoru. Co ważne, podobnie jak w atomach, elektron znajduje się na orbicie, której numer określa główna liczba kwantowa n. Koncepcja ekscytonu pochodzi z lat 30-tych XX wieku, ekscytony zaobserwowano w latach 50-tych i wydawałoby się, że już niczym nowym nas nie zaskoczą. Niespodziewanie jednak w 2014 roku w krysztale Cu2O zaobserwowano ekscytony charackeryzujące się n > 20, podczas gdy typowo nie obserwuje się stanów o n > 3. Takie wysoko wzbudzone stany są znane w fizyki atomowej - to tzw. atomy rydbergowskie. Analogicznie powstała nazwa ekscytony rydbergowskie.
Pytanie brzmi, do czego mogą  być użyteczne? Wróćmy na chwilę do atomów; w najprostszym obrazie atomy maja˛ „warstwy" - każda kolejna orbita jest większa od poprzedniej, a jej  średni promień jest proporcjonalny do n^2. Z ekscytonami jest tak samo. Stany o n>20 są gigantyczne - ich średnica sięga mikrometrów, co jest porównywalne z grubością włosa! Mamy zatem do czynienia z makroskopowym obiektem kwantowym - czymś kompletnie niespotykanym w ciele stałym.
By wytworzyć ekscyton, potrzebny jest foton. Potem ten ekscyton oddziałuje z innymi fotonami; w ten sposób możemy go wykryć i badać  jego własności. ´ Swiatło (fala elektromagnetyczna) ma wiele form - fale biegnące, stojące, prowadzone światłowodem... Jednąz tych form są  tzw. plazmony powierzchniowe. Powstają one na styku metalu i dielektryka (którym jest Cu2O) i składają sie z fali elektromagnetycznej oraz kolektywnego zaburzenia swobodnych elektronów w metalu. Je´sli metal uformujemy w konkretny kształt (nanoantenę), to wpłyniemy na powstające plazmony, które są uwiązane do powierzchni metalu. Wten sposób możemy manipulować polem elektromagnetycznym, które następnie wpływa na sąsiadujące z nanoanteną ekscytony. Co istotne, plazmony są  zazwyczaj dużo silniej skupione niż swobodne fale, lecz nadal pozostają obiektami dość makroskopowymi, obejmujaącymi miliony oscylujących elektronów. Z tego powodu fizyka plazmonów to głównie fizyka klasyczna, aczkolwiek pewne efekty kwantowe też są obserwowane.
Tutaj dochodzimy do kluczowego zagadnienia projektu: co się dzieje, gdy połączymy dwa duże obiekty z pogranicza fizyki klasycznej i kwantowej - plazmony i ekscytony rydbergowskie? Jak do tej pory nikt tego nie próbował. Znane są doświadczenia z „małymi” ekscytonami o n < 4 w różnych półprzewodnikach, a opis teoretyczny takich zagadnień opiera się o przybliżenie, że ekscyton to cząstka punktowa umieszczona w konkretnym miejscu obok nanoanteny. W przypadku dużego ekscytonu rydbergowskiego możemy mieć kompletnie odmienną sytuację, w której nanoantena jest mniejsza od ekscytonu! Mamy zatem niepowtarzalną  możliwość zaprojektowania nanostruktury oddziałującej wyłączne z jednym ekscytonem lub małą ich grupą.
W ramach projektu badane  będą różne  aspekty oddziaływania plazmon-ekscyton, w tym efekty nieliniowe (wzmocnione przez silnie skupione pole plazmonów) i aspekty dynamiczne (wyjątkowo ciekawe w przypadku ekscytonów rydbergowskich, które charakteryzują się bardzo długim czasem życia, często dłuższym od czasu  życia plazmonów).