Resumen de Plasmonic waveguides: classical applications and quantum phenomena
El objetivo de esta tesis es investigar las interacciones entre emisores cuánticos mediadas por modos electromagnéticos de superficie que existen en guías de onda metálicas complejas.
La motivación para el estudio de este tipo de interacciones proviene del alto confinamiento de los campos electromagnéticos de superficie, que permite incrementar dichas interacciones.
Para analizar dichos acoplamientos, se presenta un formalismo teórico basado en la cuantización de las ecuaciones macroscópicas de Maxwell y el tensor de Green electromagnético.
En este formalismo, las propiedades ópticas de los materiales que forman las guías de ondas se caracterizan por constantes dieléctricas. Por otro lado, el carácter cuántico de los sistemas atómicos se trata dentro de la aproximación de dos niveles, con su correspondiente momento dipolar asociado. Debido a la complejidad de las guías de onda estudiadas en esta tesis, hemos desarrollado modelos numéricos precisos, basados en el método de elementos finitos, para calcular los campos electromagnéticos asociados a estas estructuras. En particular, usando la aproximación dipolar eléctrica, hemos extraído el tensor de Green de los modelos numéricos. Con el fin de enfatizar la relevancia de los modos de superficie guiados en las interacciones con los emisores, hemos extraído explícitamente la contribución de los modos guiados a dicho tensor. Los valores calculados del tensor de Green son utilizados para evaluar los coeficientes de la ecuación maestra que describe la interacción de los emisores y las guías plasmónicas, y que gobierna la evolución de la matriz de densidad en dichos sistemas.
Para establecer un marco adecuado en el que poder investigar los fenómenos de interacción mencionados anteriormente, se realiza una amplia investigación de guías de onda que soportan modos electromagnéticos de superficie. Comenzamos esa investigación en el régimen óptico, tomando como inspiración las propiedades de los plasmones polaritones de superficie en interfaces metálicas planas. El confinamiento de los plasmones de superficie, que se produce en tamaños más pequeños que la longitud de onda, permite aumentar las interacciones electromagnéticas de emisores cuánticos. Con el fin de incrementar el grado de localización de tales modos ligados, se estudian las propiedades electromagnéticas de guías de ondas plasmónicas unidimensionales. En este estudio consideramos varias de las guías de ondas plasmónicas más prometedoras, y caracterizamos un rango de parámetros geométricos que proporcionan un alto confinamiento. Para transferir dichas propiedades de localización del régimen óptico a otros posibles a longitudes de onda mayores (concretamente al infrarrojo cercano y al terahercio), hacemos uso de ondulaciones periódicas en la superficie de los metales. La extensión a tales regímenes de alto interés tecnológico nos ha permitido identificar nuevos sistemas de guías de ondas. En particular, se estudia una guía de ondas novedosa basada en cadenas periódicas de partículas metálicas, las cuales son colocadas encima de substratos metálicos. Estas guías de ondas muestran notables propiedades de propagación para circuitos pequeños comparados con la longitud de onda. Dichas características de guiado son estudiadas frente a cambios geometrícos de las partículas, y un conjunto de dispositivos pasivos, basados en la guía de ondas mencionada, es presentado.
El alto confinamiento espacial de los modos plasmónicas unidimensionales en el régimen óptico, junto con la disponibilidad de fuentes de fotones individuales en dicho rango, motivan la investigación de las interacciones electromagnéticas entre ambos. En particular, analizamos las propiedades de emisión espontánea de sistemas atómicos de dos niveles en presencia de guías de ondas plasmónicas. Para ese estudio se han considerando amplios cambios de la configuración del sistema (posiciones y orientaciones del emisor, geometría de las guías y longitud de emisión). Las altas eficiencias resultantes para la generación de plasmones individuales, nos llevan a estudiar la posibilidad de usar los plasmones guiados como portadores de la interacción entre dos emisores separados. La capacidad para aumentar la transferencia de energía en resonancia, desde una fuente de emisión hasta un sistema atómico aceptor, es demostrada. Además la formación de fenómenos colectivos super y subradiantes mediados por la guía plasmónica es estudiada.
Finalmente investigamos la habilidad de los plasmones guiados para generar entrelazamiento cuántico entre dos sistemas atómicos separados, lo cual es debido principalmente a la aparición de estados sub y superradiantes. Dicha generación es cuantificada para diferentes guías plasmónicas, y para distintas posiciones y orientaciones de los emisores respecto a éstas.
En primer lugar, se considera la generación de enredo cuántico en ausencia de fuentes externas, lo que conduce a una formación transitoria de entrelazamiento, y en segundo lugar, se introduce la presencia de una fuente láser, que permite lograr un entrelazamiento cuántico estacionario. En ambos escenarios, el principal mecanismo físico que genera el enredo se explica a través de las propiedades de los plasmones guiados.
