Light-Matter Interaction and Hot Carriers: From Weak to Strong Coupling
Doctoral thesis, 2025
A recent development is the realization of strong coupling - interaction strengths so large that hybrid light-matter states with new properties emerge. In practice, the design space of materials is large, and computational methods can serve as a guide for their rational design, both in the weak and strong coupling regimes.
As part of this thesis, I have developed an analysis software. I use it to show that locally alloying the surface of noble metal nanoparticles with less noble elements is a possible way to control the energies of hot holes. I also show that the probability of generating one hot carrier in the nanoparticle and its opposite carrier in a nearby molecule sensitively and non-monotonically depends on adsorption site and distance, providing valuable insights into the understanding of hot-carrier devices.
In the context of strong coupling, I show that by coupling the nanoparticle to an optical cavity, the absorption spectrum can be tuned to be more optimal for hot-carrier generation. I also derive a computationally efficient and nearly-quantitative model for optical spectra of strongly coupled nanoparticle-molecule assemblies, based on dipolar coupling between moieties. Finally, I implement efficient machine learning models for potential energy surfaces and dipole moments, and apply these to study chemical kinetics under strong coupling conditions.
nanoparticles
hot carriers
strong coupling
nanoplasmonics
Author
Jakub Fojt
Chalmers, Physics, Condensed Matter and Materials Theory
Tailoring Hot-Carrier Distributions of Plasmonic Nanostructures through Surface Alloying
ACS Nano,;Vol. 18(2024)p. 6398-6405
Journal article
Hot-Carrier Transfer across a Nanoparticle-Molecule Junction: The Importance of Orbital Hybridization and Level Alignment
Nano Letters,;Vol. 22(2022)p. 8786-8792
Journal article
Dipolar coupling of nanoparticle-molecule assemblies: An efficient approach for studying strong coupling
Journal of Chemical Physics,;Vol. 154(2021)
Journal article
Controlling Plasmonic Catalysis via Strong Coupling with Electromagnetic Resonators
Nano Letters,;Vol. 24(2024)p. 11913-11920
Journal article
Machine Learning for Polaritonic Chemistry: Accessing Chemical Kinetics
Journal of the American Chemical Society,;Vol. 146(2024)p. 5402-5413
Journal article
Jakub Fojt, Tuomas P. Rossi, Paul Erhart. rhodent: A Python package for analyzing real-time TDDFT response
Alla material växelverkar med ljus. Denna växelverkan avgör färgen på föremål vi ser, men den har också tillämpningar inom teknik. Till exempel omvandlar solceller ljus till elektricitet och fotokatalysatorer använder ljus för att producera kemikalier. Genom att fånga in ljus i små utrymmen, till exempel mellan två speglar på kort avstånd, kan kopplingen mellan ljus och materia ökas. Kopplingen är ett mått på styrkan av växelverkan, och ökad koppling innebär till exempel att mer ljus absorberas, vilket kan vara ett sätt att tillverka bättre material på. Men om ljuset fångas in i ett tillräckligt litet utrymme, och kopplingen därmed görs tillräckligt stark, så bildas hybridtillstånd av ljus och materia vilka har andra egenskaper än ljuset och materialet separat. Att utnyttja denna starka koppling är ett ytterligare sätt att tillverka bättre material på. Förutom mellan två speglar, så kan ljus även fångas in i en nanopartikel av metall, alltså en partikel vars mått är några hundra nanometer eller mindre. Just nanopartiklar har visat sig vara bra på att fånga in ljus med både svag och stark koppling som följd.
I denna avhandling har jag med hjälp av datorsimuleringar gjort systematiska undersökningar av hur atomstrukturen av nanopartiklar påverkar elektronernas egenskaper, vid absorption av ljus. Jag har även undersökt hur dessa egenskaper ändras när ljuset är starkt kopplat till nanopartikeln. Förhoppningen är att insikterna från mitt arbete ska leda till att man bättre kan designa material för specifika syften, till exempel en mer effektiv solcell eller en fotokatalysator som tillverkar mer av en viss kemikalie. Jag har även tagit fram flera beräkningsmetoder som syftar till att möjliggöra beräkningar av mer komplexa material. Förhoppningen är att dessa metoder ska bana väg för vidare forskning.
Plasmon-exciton coupling at the attosecond-subnanometer scale: Tailoring strong light-matter interactions at room temperature
Knut and Alice Wallenberg Foundation (2019.0140), 2020-07-01 -- 2025-06-30.
Subject Categories (SSIF 2025)
Theoretical Chemistry
Atom and Molecular Physics and Optics
Condensed Matter Physics
Driving Forces
Sustainable development
Areas of Advance
Nanoscience and Nanotechnology
Roots
Basic sciences
Infrastructure
Chalmers e-Commons (incl. C3SE, 2020-)
ISBN
978-91-8103-276-5
Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5734
Publisher
Chalmers
PJ-salen, Kemivägen 1
Opponent: Prof. Johannes Lischner, Imperial College London, Storbritannien