Materiali Pleccitonici Colloidali: design e dinamiche

The light-matter coupling has been studied during the previous and the present centuries because of the plethora of different phenomena achievable depending on the coupling strength. The knowledge of the mechanisms ruling this coupling, and the dynamics of the involved states could find applications in photonics, solar cells, in the whole emerging panorama of the quantum technologies and, overall, wherever it becomes relevant to control the energy flux either temporally and spatially, even at the nanometric scale. Among the systems exploited to generate hybrid light-matter states, the class of Colloidal Plexcitonic Materials (CPMs) is defined as the assembly of coupled colloidal plasmonic nanoparticles and organic dyes. CPMs are cheap, easy to characterize, and their synthesis is easy to scale up. However, to date, only a limited number of studies have been devoted to the investigation of the optimization of their properties and their dynamics in different coupling regimes. With this Thesis, I want to bring my contribution to both these aspects. For this reason, I analysed the design of these materials either by cataloguing and interpreting the existing literature, and by preparing two new families of CPMs. The study of the dynamics was thus focussed on these families, sifted with the state-of-the-art ultrafast electronic spectroscopy techniques. Overall, the knowledge gained studying the design properties and the dynamics of these systems revealed that, first, these two aspects are strongly correlated, and second, that these materials are highly versatile. Indeed, their design has been found to play a central role in the light-matter strength of interaction and coupling. Moreover, again with the fine tuning of these materials, it was possible to modulate their relaxation mechanisms: their lifetimes could be increased up to two orders of magnitude and, mostly, their quantum nature can be engineered.

L’interazione fra luce e materia, studiata ormai quasi da un secolo, può generare differenti fenomeni a seconda della forza dell’accoppiamento di queste due entità. La conoscenza dei meccanismi che la regolano e delle dinamiche degli stati energetici coinvolti ne potrebbe permettere l’applicazione in ambito fotovoltaico, in fotonica, nell’intero panorama emergente delle tecnologie quantistiche e, più in generale, laddove sia importante controllare il flusso dell’energia sia temporalmente che spazialmente, anche a livello nanometrico. Una classe di sistemi in cui è possibile generare stati elettronici ibridi luce-materia è quella dei nanomateriali pleccitonici colloidali, ottenuti attraverso l’assemblaggio di nanoparticelle plasmoniche e fluorofori organici in forma aggregata o meno. Questi materiali sono economici, facilmente caratterizzabili e la loro sintesi scalabile semplicemente. Tuttavia, il loro studio ad oggi risulta limitato sia nell’ottimizzazione del loro design che nella razionalizzazione delle dinamiche in differenti regimi di accoppiamento. Con questa tesi di dottorato voglio portare il mio contributo in entrambi gli ambiti. Ho analizzato il design di questi materiali sia attraverso un lavoro di catalogazione e interpretazione della letteratura esistente, sia attraverso la preparazione di due famiglie di nuovi materiali pleccitonici. Lo studio della dinamica si concentra proprio su tali famiglie di materiali, sondate con tecniche di spettroscopia elettronica ultraveloce all’avanguardia. Nel complesso, attraverso la correlazione fra le conoscenze ottenute in questi due ambiti, mai d’altro canto totalmente scindibili, ho dimostrato la versatilità di questi materiali. L’interazione fra luce e materia è, infatti, regolata profondamente dal design dei nanosistemi, che ne influenza fortemente il regime di accoppiamento. Inoltre, sempre attraverso il design di questi materiali, è stato possibile modulare i meccanismi di rilassamento, in particolare rallentandone i tempi caratteristici fino a due ordini di grandezza, e, soprattutto, ingegnerizzando la loro natura quantistica.