TAPERING RESONANT NANOANTENNAS FOR ENHANCED THz LIGHT – NANOMATTER INTERACTIONS

In the last decades, Terahertz (THz) technology has become a fruitful research field thanks to the promise of outstanding applications. Industry, biology, medicine and engineering are only a part of the technological sectors looking into THz researches for the latest advances. Such hectic interest born from the peculiar and unique properties of the THz waves, such as the non-ionizing character, the transparency of many materials usually opaque in other frequency ranges, and the potentiality offered for information technologies, among others. One of the most promising application is spectroscopy. In fact, many materials and compounds present elementary excitation features in the THz regime. For many years, such features could not be exploited with nanosystems because of the poor efficiency with which the long wavelength associated to THz radiation (~300 μm at 1 THz) interacts with nano-sized objects (10 nm). However, thanks to plasmonic antennas, capable of localizing light in sub-wavelength volumes, it has become possible to make the long THz wave interacting with nano-particles. Such method greatly enhances nano-particle absorption allowing to retrieve spectroscopic information of nanomatter previously not accessible. Moreover, light-nanomatter interaction experiments are now possible in THz regime giving access to, e.g., strong THz light-nanomatter coupling studies. Nevertheless, the performance of plasmonic antennas can be still improved to increase the field enhancement and reduce the mode volume, which in turn impact sensing and light-matter coupling efficiency. In this thesis, a strategy is presented to improve THz nanoantenna (NA) performance in terms of near field enhancement and mode volume reduction. First, I qualitatively show through a quasi-analytical model that by judiciously tapering gold NAs, an appreciable increase of the near field at the tip can be achieved. The method is also validated through extensive finite element method simulations, where gold bow-tie NA pairs, resonating at 1 THz and coupled by a 30-nm-wide gap, show a more than two-fold enhanced near field and a seven-fold reduced mode volume in the gap when tapered with an optimum angle. Five samples at different tapering angles have been fabricated and characterized to experimentally validate such method. The THz time domain spectroscopy (THz-TDS) characterizations revealed a good agreement with the simulation results, confirming the validity of the theoretical studies. In the last part of this thesis, it is shown how this method can be effectively extended to other geometries, in particular to realize “moon-shaped” NAs suitable for improved strong coupling experiments. Moreover, it is also numerically demonstrated the applicability of this method to higher frequencies, up to the infrared (IR) range.

Nel corso degli ultimi decenni la tecnologia terahertz (THz) è diventata un fruttuoso campo di ricerca grazie alla spinta ricevuta dal desiderio di sfruttarne le promettenti applicazioni in questa porzione dello spettro elettromagnetico. La biologia, la medicina e l’ingegneria sono soltanto alcuni dei settori che guardano con interesse alle ultime scoperte nella ricerca sulle onde THz. Questo enorme interesse nasce dalle peculiari proprietà di tali onde, come ad esempio: il carattere non ionizzante, l’opacità di svariati materiali solitamente trasparenti in altri intervalli di frequenze e per le potenziali ricadute positive nel campo della tecnologia dell’informazione. Una fra le applicazioni più interessanti consiste nell’uso delle onde THz per la spettroscopia. Infatti molti materiali presentano delle risonanze in questo campo di radiazione, e il loro studio darebbe accesso a molte e preziose informazioni che potrebbero svelare proprietà della materia ancora sconosciute. Per molti anni, tali risonanze non sono state studiate a causa della relativamente grande lunghezza d’onda corrispondente alla radiazione THz (~300 μm a 1 THz) da cui conseguiva una scarsa efficienza di accoppiamento con oggetti di dimensioni nanometriche. Tuttavia grazie alle antenne plasmoniche, che sono in grado di localizzare la luce assorbita in uno spazio il cui volume è inferiore alla lunghezza d’onda coinvolta, noto come volume modale, è possibile far interagire le onde THz con delle nano-particelle. Tale metodo ha migliorato a tal punto l’efficienza di assorbimento delle nano-particelle della radiazione THz che è stato reso possibile recuperare informazioni spettroscopiche della materia a cui prima non si aveva accesso. Inoltre grazie a questa tecnica è possibile effettuare proficuamente molti altri esperimenti nel regime THz, come ad esempio quelli sull’accoppiamento forte tra radiazione e materia. Cionondimeno le prestazioni delle antenne plasmoniche non sono ottimali e possono essere ulteriormente migliorate per aumentare il “field enhancement”, cioè il tasso di incremento del campo elettrico ottenuto dal confinamento generato dalle antenne plasmoniche all’interno del volume modale, che a sua volta influisce fortemente sull’efficienza e la qualità degli esperimenti nel regime THz. In questa tesi viene presentata una strategia per il miglioramento delle prestazioni di nano-antenne (NA) THz sia in termini di field enhancement che di volume modale. Tale strategia consiste nell’attenta rastremazione di NA cilindriche in oro, così da formare dei coni troncati. Per prima cosa, mostro attraverso un modello quasi-analitico che tale strategia, per mezzo di un angolo ottimo di rastremazione, permette di ottenere un miglioramento considerevole delle prestazioni. Successivamente il metodo di rastremazione delle antenne viene validato attraverso l’uso di un simulatore software, col quale vengono simulate coppie di antenne a diversi angoli di rastremazione, separate da un gap di 30 nm e risonanti attorno a 1 THz. Da tale studio si trova che in corrispondenza dell’angolo ottimo, le NA rastremate mostrano il doppio di field enhancement e un volume modale sette volte inferiore a quello offerto da una antenna non rastremata. Lo stesso software è utilizzato per ricavare il design di cinque campioni per la fabbricazione. Su tali campioni è stata eseguita una caratterizzazione ottica nel THz attraverso un sistema di spettroscopia THz nel dominio del tempo (THz-TDS), e il risultato è in accordo con i risultati simulati ottenuti durante il design degli stessi, confermando la validità degli studi teorici. Nell’ultima parte di questa tesi viene mostrata anche l’applicazione di questo metodo per il miglioramento della risposta delle antenne moon (caratterizzate da una geometria alternativa a forma di luna) realizzate nell’ambito di esperimenti di accoppiamento forte radiazione-materia. Inoltre lo stesso metodo viene qui mostrato essere valido anche in altri regimi di frequenza, in particolare nell’infrarosso.