Resumen de Theoretical description of wave propagation in magnetoplasmonic nanostructures
Desde hace algunas décadas estamos presenciando una carrera imparable por desarrollar dispositivos tecnológicos cada vez más pequeños, rápidos y eficientes. En este contexto surgen los dispositivos fotónicos como una opción muy atractiva debido a que aúnan una gran velocidad de transferencia de información y un ancho de banda, en principio, ilimitado. No obstante, dichos dispositivos aún tienen que solventar ciertos problemas para ser tecnológicamente viables, siendo la miniaturización de los componentes por debajo del límite de difracción de la luz, probablemente, el más importante de todos. En este sentido, la opción más prometedora para confinar y manipular la luz a escala nanométrica es la excitación de plasmones de superficie, modos electromagnéticos originados por la interacción de la luz y los electrones libres de la superficie de un metal (SPP por sus siglas en inglés “Surface Plasmon Polariton”). Para alcanzar el nivel de control que requieren estos nuevos dispositivos, se necesita poder actuar directamente sobre los modos confinados en la superficie de forma externa y controlada. Una de las formas más sencillas de lograrlo es mediante la aplicación de un campo magnético externo, lo que ha dado como resultado todo un nuevo campo de estudio que se conoce como magnetoplasmónica. En vista de las prometedoras posibilidades que ofrecen este tipo de sistemas, la presente tesis doctoral está dedicada al estudio teórico de la propagación de ondas en sistemas magnetoplasmónicos.
La primera parte de esta tesis se ha dedicado al desarrollo de un método capaz de describir la propagación de ondas electromagnéticas en sistemas nano-estructurados que involucren actividad magneto-óptica. Para ello nos hemos basado en el conocido método de la matriz de scattering. Aunque este método se había utilizado anteriormente para estudiar la actividad magneto-óptica en estructuras formadas por multicapas planas, su aplicabilidad estaba restringida a configuraciones geométricas concretas, no pudiéndose utilizar, por ejemplo, para explicar los efectos Faraday y Kerr en configuración transversal o longitudinal. En esta tesis, hemos presentado una generalización del formalismo de la matriz de scattering capaz de describir los efectos ópticos y magneto-ópticos en sistemas de multicapas periódicamente nano-estructuradas para cualquier configuración del campo magnético externo.
Haciendo uso de la generalización de la matriz de scattering descrita, el resto de la tesis se centra en el estudio teórico de membranas metálicas perforadas con agujeros de tamaño menor que la longitud de onda de la luz. Como se explica en el texto, nano-estructurando los metales mediante una red periódica de agujeros nanométricos conseguimos aportar el momento extra necesario para acoplar el vector de onda incidente y excitar así el SPP. Asimismo, la actividad magneto-óptica del sistema la hemos conseguido mediante la inclusión de materiales magneto-ópticamente activos como son los metales ferromagnéticos. De este modo, primeramente, hemos abordado el estudio de membranas puramente ferromagnéticas. Los metales ferromagnéticos como el hierro, el níquel o el cobalto constituyen una opción muy interesante ya que presentan una actividad magneto-óptica muy importante incluso bajo campos magnéticos relativamente pequeños y, al mismo tiempo, todavía soportan la excitación de un plasmón de superficie. En esta tesis, hemos analizado desde el punto de vista teórico las medidas experimentales realizadas por nuestros colaboradores en Suecia y Alemania del efecto Kerr magneto-óptico en configuraciones polar y transversal de membranas de hierro y níquel con una matriz hexagonal de agujeros, llegando a la conclusión de que el origen del aumento en la actividad magneto-óptica radica en la excitación de los SPPs. Igualmente, también se han estudiado las implicaciones de la geometría de la red en dichas membranas variando el tamaño de los agujeros.
Posteriormente, hemos optado por el estudio de sistemas híbridos que aúnen las capacidades magneto-ópticas de los materiales ferromagnéticos con las buenas propiedades plasmónicas que presentan los metales nobles. Para ello se han estudiado membranas híbridas formadas por multicapas de oro-cobalto-oro con agujeros nanométricos dispuestos de forma periódica. En un primer estudio, se ha analizado el efecto Faraday en dichos sistemas, en concreto, la dependencia de la conversión de polarización y la transmitancia tanto con la posición como con el grosor de la capa de cobalto. Tal y como se explica en el texto, estos sistemas híbridos mejoran la eficiencia como rotadores de Faraday, presentando al mismo tiempo una alta transmitancia y una alta rotación Faraday.
Del mismo modo, hemos visto que en estas membranas híbridas el efecto Kerr transversal magneto-óptico (TMOKE por sus siglas en inglés “Transverse Magneto-Optical Kerr Effect”) aumenta drásticamente debido a la sinergia entre las propiedades magneto-ópticas de la membrana ferromagnética y las propiedades plasmónicas de los metales nobles. De este modo, para finalizar esta tesis doctoral, hemos propuesto el uso de dichas membranas híbridas como transductores en sensores magneto-ópticos de resonancia de plasmón superficial. La respuesta magneto-óptica, TMOKE, de estos sistemas se caracteriza por una curva de Fano muy estrecha que es extremadamente sensible a cambios en el índice de refracción del entorno, lo que da como resultado una figura de mérito varios órdenes de magnitud mayor que el estado del arte actual en este tipo de sensores basados en resonancia de plasmones.
