NOVEL SCHEMES FOR ULTRAFAST MANIPULATION OF QUANTUM MATERIALS

The possibility to control the electronic properties on-demand on an ultrafast time scale represents one of the most exciting challenges towards the realization of new generation photonic and electronic devices. Triggered by this, in the last decades the research activity focused its attention to different solid-state platforms. Among all, dielectric nanostructures (and metamaterials) and correlated materials represent the most promising candidate for the implementation of devices endowed by new functionalities. Apart from the specific features making dielectrics more suitable for photonic applications and correlated materials for electronic devices, both categories exhibit new functionalities if subjected to an external stimulus in the form of excitation light pulses shorter than the relaxation timescale of the internal degrees of freedom of the system. Indeed, the out-of-equilibrium state achieved upon photoexcitation exhibits electronic and optical properties highly different from those at equilibrium. Therefore, the aim of this thesis work consists in the development of new methods and experimental approaches capable to induce, measure, and control new functionalities in complex materials on an ultrafast time scale.

La possibilità di controllare le proprietà elettroniche on-demand su una scala di tempo ultraveloce rappresenta una delle sfide più intriganti verso la realizzazione di dispositivi fotonici ed elettronici di nuova generazione. Stimolata da questo, negli ultimi decenni la ricerca scientifica ha concentrato la propria attenzione su diverse piattaforme a stato solido. Tra tutte, nanostrutture dielettriche (e metamateriali) e materiali correlati si presentano come i più promettenti candidati per la realizzazione di dispositivi dotati di nuove funzionalità. Al di là delle caratteristiche specifiche che rendono i dielettrici più adatti ad applicazioni in fotonica e i materiali correlati ai dispositivi elettronici, entrambe le categorie manifestano nuove funzionalità se soggetti ad uno stimolo esterno sotto forma di impulsi di luce con durata più breve della scala di tempo caratteristica del rilassamento dei gradi di libertà interni al sistema. Infatti, lo stato fuori equilibrio raggiunto a seguito di una foto-eccitazione presenta proprietà elettroniche ed ottiche di gran lunga differenti da quelle all'equilibrio. Pertanto, l'obiettivo di questo lavoro di tesi consiste nello sviluppo di nuovi metodi ed approcci sperimentali in grado di indurre, misurare e controllare nuove funzionalità in materiali complessi su una scala di tempo ultraveloce.