Light-Matter Interaction and Hot Carriers: From Weak to Strong Coupling
Doktorsavhandling, 2025

When an object is illuminated, it can both scatter and absorb the incoming light. Shortly after absorption, hot carriers, which are electrons and holes with non-thermal energies, form in the material. Scattering, absorption and the formation of hot carriers are fundamental for technologies such as sensing, photovoltaics, and photocatalysis. One way toward better devices is the confinement of light to traditional cavities or metallic nanoparticles. This increases the interaction strength, or coupling, between light and matter.
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

PJ-salen, Kemivägen 1
Opponent: Prof. Johannes Lischner, Imperial College London, Storbritannien

Författare

Jakub Fojt

Chalmers, Fysik, Kondenserad materie- och materialteori

Tailoring Hot-Carrier Distributions of Plasmonic Nanostructures through Surface Alloying

ACS Nano,;Vol. 18(2024)p. 6398-6405

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Dipolar coupling of nanoparticle-molecule assemblies: An efficient approach for studying strong coupling

Journal of Chemical Physics,;Vol. 154(2021)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Controlling Plasmonic Catalysis via Strong Coupling with Electromagnetic Resonators

Nano Letters,;Vol. 24(2024)p. 11913-11920

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Machine Learning for Polaritonic Chemistry: Accessing Chemical Kinetics

Journal of the American Chemical Society,;Vol. 146(2024)p. 5402-5413

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Jakub Fojt, Tuomas P. Rossi, Paul Erhart. rhodent: A Python package for analyzing real-time TDDFT response

Datorsimuleringar av ljus och materia bidrar till bättre material

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 och Alice Wallenbergs Stiftelse (2019.0140), 2020-07-01 -- 2025-06-30.

Ämneskategorier (SSIF 2025)

Teoretisk kemi

Atom- och molekylfysik och optik

Den kondenserade materiens fysik

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Styrkeområden

Nanovetenskap och nanoteknik

Fundament

Grundläggande vetenskaper

Infrastruktur

Chalmers e-Commons (inkl. C3SE, 2020-)

ISBN

978-91-8103-276-5

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5734

Utgivare

Chalmers

PJ-salen, Kemivägen 1

Opponent: Prof. Johannes Lischner, Imperial College London, Storbritannien

Mer information

Senast uppdaterat

2025-10-13