Resumen de Optical forces on magneto-optical particles
El estudio teórico de las fuerzas y pares ópticos ha evolucionado durante el último medio siglo desde los modelos que describían las fuerzas ópticas sobre una única nanopartícula dieléctrica o metálica hasta escenarios más complejos. Se han desarrollado modelos que estudian las fuerzas ópticas sobre partículas magneto-dieléctricas, quirales o con revestimiento multicapa; modelos que tienen en cuenta campos incidentes más complejos, como los haces de Bessel, así como el estudio de las fuerzas ópticas en el campo cercano, superando el límite de Rayleigh. El estudio de estos escenarios reveló valiosos fenómenos, entre ellos las fuerzas negativas sobre nanopartículas magneto-dieléctricas y quirales por parte de haces estructurados, es decir, fuerzas que arrastran estos objetos hacia una fuente de luz; pares no conservativos y negativos, así como fuerzas transversales.
La modificación de las propiedades ópticas de un material mediante la aplicación de un campo magnético externo se conoce como efecto magneto-óptico. Este efecto es de especial importancia en los sistemas metálicos híbridos que soportan al mismo tiempo excitaciones plasmónicas (sistemas magnetoplasmónicos), dando lugar a una actividad magneto-óptica potenciada por los plasmones. Estas estructuras presentan un interés especial debido a las posibles aplicaciones en biología, detección y telecomunicaciones.
La magneto-óptica (MO) y las fuerzas ópticas son áreas de investigación pujantes, con miles de artículos publicados cada año en cada ámbito por separado. Sin embargo, existe una gran carencia de investigación que combine ambas áreas. El objetivo de esta tesis es modelar teóricamente las fuerzas ópticas ejercidas sobre las partículas magneto-ópticas. Como tal, esta tesis aborda los siguientes temas:
En primer lugar, el estudio de la fuerza óptica sobre una pequeña partícula magneto-óptica única con respuesta únicamente eléctrica. Para ello utilizamos modelos previamente desarrollados para fuerzas ópticas sobre partículas dipolares isotrópicas que adaptamos para trabajar con anisotropía magneto-óptica. Utilizando la aproximación dipolar, hemos encontrado nuevos fenómenos en las fuerzas magneto-ópticas. Hemos encontrado una fuerza MO conservadora proporcional al gradiente de la densidad de espín del campo luminoso incidente y una fuerza de extinción no conservadora proporcional a la helicidad de dicho campo. La interacción conservativa permite un experimento de Stern-Gerlach basado en un campo magnético selectivo de espín, capaz de diferenciar entre las polarizaciones circulares derecha e izquierda.
Para aislar el efecto magneto-óptico en las fuerzas ópticas, estudiamos también los campos incidentes de ondas contrapropagadoras no interferentes que no ejercen ninguna presión de radiación ni fuerza de gradiente sobre las partículas isotrópicas. Estos campos sí ejercen fuerzas ópticas sobre las partículas magneto-ópticas; y dependiendo de la polarización de los campos incidentes la presión de radiación es proporcional a su espín o a su helicidad.
En segundo lugar, el estudio del par óptico sobre una sola partícula MO donde utilizamos la aproximación dipolar. Encontramos que una onda plana linealmente polarizada sin espín, ejerce un par permanente no recíproco sobre una partícula MO. A diferencia de cualquier par conservativo y transitorio resultante del transporte del momento lineal de las ondas incidentes al momento angular, el par magneto-óptico es no conservativo y puede rotar continuamente partículas. Demostramos que el momento angular "creado" por la rotación de la partícula es completamente compensado por el momento angular del campo disperso y la interacción entre el campo incidente y el campo disperso.
En tercer lugar, todavía dentro de la aproximación dipolar, estudiamos el efecto de la radiación electromagnética en la interacción entre dos partículas magneto-ópticas. Comprobamos que, contrariamente a lo que se cree, es posible formar un homodímero ligado estable en el campo cercano. Esto puede hacerse con la ayuda del efecto magneto-óptico, controlando el ángulo entre el plano de polarización y el eje del dímero, o utilizando ambos.
Demostramos que la distancia de equilibrio entre las partículas puede controlarse a escala nanométrica por el campo magnético externo y por el ángulo de polarización y derivamos fórmulas analíticas para esos parámetros.
En cuarto lugar, más allá de la aproximación dipolar, resolvimos exactamente el problema de dispersión magneto-óptica (de una partícula esférica). Utilizamos el método de expansión de los campos con funciones vectoriales de onda esférica, hallando los coeficientes de dispersión a partir de las condiciones de contorno. Derivamos expresiones analíticas (en términos de los coeficientes de dispersión) para las secciones transversales de dispersión y extinción, así como para la fuerza ejercida sobre una partícula MO.
Utilizamos este modelo para calcular la fuerza sobre una partícula dipolar y recuperamos las fórmulas conocidas, previamente reportadas, para la fuerza sobre una partícula dipolar con ambas respuestas, eléctrica y magnética.
