Información General

• Autores: Fernando Lorén Mastral
• Editores: Universidad de Zaragoza, Prensas de la Universidad de Zaragoza
• Año de publicación: 2026
• Colecciones: Colección de Estudios de Física, 173
• País: España
• Idioma: inglés
• ISBN: 979-13-7014-089-2
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Resumen

• español

  La óptica quiral es una subárea de la óptica que estudia la interacción de la luz con materiales quirales. En esta tesis, nos centramos en una estructura prometedora: metasuperficies corrugadas interactuando con semiconductores de anchura atómica, analizando teóricamente sus propiedades ópticas quirales. En este trabajo, revisamos el marco teórico mínimo necesario para estudiar metasuperficies plasmónicas compuestas por matrices de agujeros rectangulares en láminas metálicas. Utilizando el método de modos acoplados, desarrollamos un nuevo formalismo que permite obtener directamente los coeficientes de reflexión en el campo lejano. Los acoplamientos geométricos son los elementos clave de este procedimiento, ya que establecen las conexiones entre los distintos órdenes de Bragg en el espacio de polarización.

  Derivamos las ecuaciones que rigen las metasuperficies e identificamos tanto los términos responsables del spin-momentum locking, que establecen reglas de selección entre la polarización y el momento de los órdenes de difracción, como los términos que rompen este comportamiento al mezclar componentes de espín. Esta ruptura se atribuye a la discrepancia entre la definición de luz circularmente polarizada, relativa a la dirección de propagación de los órdenes de difracción correspondientes, y las simetrías del sistema, definidas con respecto a la dirección z de la metasuperficie.

  Demostramos que, aunque esta ruptura puede ser despreciable en algunos casos, particularmente cuando los vectores de onda en el plano son pequeños, se vuelve fundamental cuando se excitan plasmones de superficie. En este último caso, pueden establecerse unas reglas de selección modificadas para el spin-momentum locking, interpretándose como un proceso de dispersión en dos pasos que involucra la excitación y desexcitación secuencial de un plasmón. Estos resultados se obtienen también a partir de un formalismo complementario basado en la resolución de las amplitudes del campo eléctrico en las aperturas, en lugar de mediante el nuevo enfoque que involucra directamente los coeficientes de reflexión. Este procedimiento alternativo nos permite encontrar expresiones analíticas para las amplitudes del campo cercano y esclarecer el papel de las resonancias plasmónicas en las propiedades quirales de las superficies corrugadas. Asimismo, exploramos la interacción entre metasuperficies quirales y materiales bidimensionales, observando dicroísmo circular en las monocapas debido a la quiralidad inducida por la metasuperficie. Cuando el material 2D se coloca sobre un separador dieléctrico, demostramos que pueden excitarse resonantemente modos de guía de onda de polarización transversal-eléctrica inducidos por el separador, los cuales también producen dicroísmo circular en el material 2D. Este sistema obedece otro conjunto de reglas de selección modificadas para el spin-momentum locking, en las cuales el carácter transversal-eléctrico de estos modos sustituye al carácter transversal-magnético de los plasmones. Aplicamos el formalismo desarrollado para (i) estudiar una capa idealizada de moléculas quirales y (ii) analizar separadamente la absorción en los valles K/K de una monocapa de WS2. Además, extendemos nuestro análisis a nanoestructuras más sofisticadas, en particular, cavidades quirales, derivando las ecuaciones del sistema compuesto por una matriz de agujeros sobre una matriz de hendiduras. Finalmente, exploramos el concepto de topología en sistemas fuertemente acoplados. Proponemos un modelo mínimo que presenta la ruptura de la correspondencia borde-volumen observada en estudios previos de sistemas complejos, cuyo origen aún no se ha explicado completamente. Nuestro modelo mínimo consiste en una cadena de primeros vecinos en un modelo tight-binding acoplada a una cadena Su-Schrieffer-Heeger. Nuestro trabajo descarta algunos mecanismos posibles de esta ruptura y presenta nueva fenomenología asociada a la ruptura de la correspondencia borde-volumen.

• English

  Chiral optics is a subfield of optics that explores the interaction of light with chiral materials. In this thesis, we focus on a promising structure: corrugated metasurfaces interacting with atomic-width semiconductors, and study theoretically its chiral optical properties.

  In this work, we review the minimal theoretical framework to study plasmonic metasurfaces comprised of arrays of rectangular holes in metallic slabs.

  Using the coupled-mode method, we develop a novel formalism that directly obtains the reflection coefficients for the far-field. The geometric couplings are the key ingredients of this new approach because they establish the connections between different Bragg orders in polarisation space.

  We derive the governing equations of the bare metasurfaces and identify both the terms responsible for the spin-momentum locking, which establish selection rules between the polarisation and the momentum of the diffraction orders, and the terms that spoil this behaviour by mixing the spin components.

  These breakdown terms are ascribed to the mismatch between the definition of circularly polarised light, relative to the propagation direction of the corresponding diffraction orders, and the system symmetries, defined with respect to the z-direction of the metasurface.

  We demonstrate that even though this breakdown can be neglected in some cases, particularly for small in-plane wavevectors, it becomes critical when surface plasmon polaritons are excited. In the latter case, a modified set of spin-momentum locking selection rules can be established, being interpreted as a two-step scattering process involving the sequential excitation and de-excitation of a plasmon.

  We also derive these results from a complementary formalism based on solving the amplitudes of the electric field at the apertures rather than from the novel approach involving the reflection coefficients directly. This alternate procedure allows us to find analytical expressions for the near-field amplitudes and elucidate the role of plasmonic resonances in the chiral properties of xviii Abstract corrugated surfaces.

  We explore the interaction between chiral metasurfaces and two-dimensional materials, observing circular dichroism in the monolayers due to the chirality induced by the metasurface. When the 2D material is placed on top of a dielectric spacer, we demonstrate that transverse-electric spacer-induced waveguide modes can be resonantly excited, also inducing circular dichroism in the 2D material. This system satisfies another set of modified spin-momentum locking selection rules, including the transverse-electric character of these modes instead of the transverse-magnetic character of the plasmons. We apply the developed formalism to (i) study an idealised layer of chiral molecules and (ii) perform separate absorption analyses in both K/K valleys of a WS2 monolayer. We extend our analysis to more sophisticated nanostructures, namely chiral cavities, deriving the equations of the system composed of a hole array placed over a dimple array.

  Finally, we explore the concept of topology in strongly coupled systems. We propose a minimal model that presents the bulk-edge correspondence breakdown observed in previous works in complex systems, which is still unexplained. Our minimal model consists of a first-nearest-neighbours tight-binding chain coupled to a Su-Schrieffer-Heeger chain. Our work rules out some possible mechanisms for the breakdown and presents new bulk-edge correspondence breakdown phenomenology

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