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Quantum Nano Photonics

01GLEKG

A.A. 2022/23

Course Language

Inglese

Degree programme(s)

Doctorate Research in Fisica - Torino

Course structure
Teaching Hours
Lezioni 20
Lecturers
Teacher Status SSD h.Les h.Ex h.Lab h.Tut Years teaching
Descrovi Emiliano Professore Associato PHYS-03/A 20 0 0 0 1
Co-lectures
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Context
SSD CFU Activities Area context
*** N/A ***    
Date d'appello
Orario delle lezioni
Statistiche superamento esami
Il corso è suddiviso in tre segmenti: (i) una introduzione alla nano-ottica classica, in cui viene presentato il formalismo di base per descrivere campi EM classici, con particolare attenzione alla propagazione di fasci ottici, focalizzazione, localizzazione di energia ed effetti relativi alla diffrazione in sistemi di rivelazione luminosa; (ii) una panoramica del formalismo per descrivere alcuni effetti quantistici in elettromagnetismo alla nanoscala; (iii) esempi di interazione luce-materia in ambienti nano-fotonici che coinvolgono fotoni, plasmoni e polaritoni (in condizioni di accoppiamento forte o debole).
The course consists of three parts: (i) an introduction to classical nano-optics, where the fundamental formalism to describe classical fields is provided, with particular attention to beam propagation, focusing, energy localization and diffraction-related effects in light detection systems; (ii) an overview of the formalism for tackling quantum effects in electromagnetism at the nanoscale, (iii) examples of light-matter interactions in nano-photonic environment involving photons, plasmons and polaritons (in strong and weak-coupling conditions).
Elettromagnetismo classico, Fisica dello stato solido, fondamenti di meccanica quantistica
Classical electromagnetism, solid state Physics, basics of Quantum Mechanics
Nano-ottica classica Equazioni di Maxwell (nel vuoto e nella materia), campi armonici, rappresentazione di Spettro Angolare, campi fortemente focalizzati, polarizzazioni trasversa e longitudinale, conservazione di momento: momento di spin e momento angolare orbitale. Funzioni di Green in nano-ottica, densità locale di stati fotonici (LDOS) in nanocavità. Effetti quantistici in nano-ottica Fondamenti di elettrodinamica quantistica: quantizzazione canonica, Gauge di Coulomb e Lorentz. Fotoni, quantizzazione di sistemi radiazione-materia accoppiati. Funzioni di correlazione per campi EM, Densità spettrale incrociata, ridefinizione della LDOS fotonica. Sistemi a due livelli. Master equation con operatori di Lindblad: accoppiamento con strutture. Applicazioni: emettitori a singolo fotone in strutture nano-fotoniche, effetti di condensazione e laseraggio con polaritoni di microcavitaà di semiconduttore. Letture consigliate - U. Hohenester, “Nano and Quantum Optics: an introduction to basic principles and theory”, Graduate Texts in Physics series, Springer (2020). - A. Rahimi-Iman, “Polariton Physics: From Dynamic Bose–Einstein Condensates in Strongly-Coupled Light–Matter Systems to Polariton Lasers”, Springer Series in Optical Sciences (SSOS, volume 229), 2020.
Classical Nano-Optics Maxwell equations (vacuum and matter), time-harmonic fields, angular spectrum representation, tightly focused fields, longitudinal and transverse polarizations, momentum conservation, spin and orbital angular momentum. Green’s functions in nano-optics, photonic local density of states (LDOS) in nanocavities. Quantum effects in Nano-Optics Basics of Quantum Electrodynamics: canonical quantization, Coulomb and Lorentz Gauge. Photons, quantization of coupled light-matter systems. Correlation functions for EM fields, cross-spectral density, photonic LDOS revisited. Two-level systems. Master equation with Lindblad operators: coupling with the surrounding structure. Applications: single-photon emitters in nano-photonic landscapes, examples of polariton condensates and lasing in microcavities. Reference readings - U. Hohenester, “Nano and Quantum Optics: an introduction to basic principles and theory”, Graduate Texts in Physics series, Springer (2020). - A. Rahimi-Iman, “Polariton Physics: From Dynamic Bose–Einstein Condensates in Strongly-Coupled Light–Matter Systems to Polariton Lasers”, Springer Series in Optical Sciences (SSOS, volume 229), 2020.
In presenza
On site
Presentazione orale
Oral presentation
P.D.2-2 - Maggio
P.D.2-2 - May