Titolo della tesi: Optical response of hybrid light-matter modes
Questa tesi presenta un’indagine approfondita sui modi collettivi ibridi luce-materia a bassa energia nel dominio dei terahertz (THz) nei solidi - eccitazioni che emergono dall’accoppiamento della luce con oscillazioni dipolari. Iniziamo discutendo un metodo classico, che si rivela efficace per la caratterizzazione della risposta ottica lineare di modi semplici in materiali isotropi. Tuttavia, con l’obiettivo di descrivere strutture più complesse, come composti anisotropi a strati, o fenomeni esotici nel regime non lineare indotti da impulsi THz intensi, sviluppiamo successivamente un formalismo many-body basato sul path-integral, utilizzato nel resto della tesi. Questo approccio rappresenta uno strumento efficiente e potente, capace di fornire una comprensione profonda delle proprietà microscopiche delle eccitazioni ibride, pur mantenendo semplicità e trasparenza analitica.
Concentrandoci sui superconduttori a strati, studiamo i plasmoni Josephson che emergono dal mixing tra la luce e fluttuazioni di fase superconduttive. Dimostriamo che il quadro convenzionale del disaccoppiamento longitudinale-trasversale si rompe nei sistemi anisotropi, risultando nella comparsa di un inaspettato picco di assorbimento a frequenza finita nella risposta lineare. Analizziamo inoltre i modi di plasma Josephson nei superconduttori bilayer, dove compare un picco addizionale dovuto all’accoppiamento capacitivo tra strati, e inoltre mostriamo che uno dei plasmoni a bassa energia risulta invisibile in esperimenti accoppiati alla densità, rivelando così il suo carattere misto longitudinale-trasversale.
Ci rivolgiamo poi alla risposta pump-probe dei fononi infrared-attivi in cristalli isotropi e uniassiali. Proponiamo un apparato teorico e sperimentale, basato su protocolli di three-wave-mixing come THz pump – optical probe, che mappa in modo efficiente la dispersione dei phonon-polariton trasversi in sistemi non centrosimmetrici. Applicando questo formalismo al caso di studio del ferroelettrico uniassiale niobato di litio, ricostruiamo la dispersione del modo a bassa energia di simmetria E. Infine, estendiamo il formalismo pump-probe alla spettroscopia bidimensionale, una tecnica non lineare di recente applicazione ai solidi. Questo protocollo offre la possibilità di rivelare nuovi processi di eccitazione non lineari e di riconoscere gli accoppiamenti tra modi. Discutiamo la tecnica all’interno del nostro formalismo many-body, mostrando come possa essere impiegata per individuare il processo non lineare dominante di un materiale e inferirne così le proprietà microscopiche.
Nel complesso, questa tesi avanza la comprensione delle eccitazioni ibride luce-materia, offrendo al contempo nuovi strumenti teorici da impiegare in futuri studi su fenomeni più complessi, come gli accoppiamenti plasmone-fonone, l’emissione THz di fononi in materiali ferroelettrici, o l’accoppiamento luce-materia in sistemi chirali.