Theoretical description of wave propagation in magnetoplasmonic nanostructures
Author
Caballero García, BlancaEntity
UAM. Departamento de Física Teórica de la Materia CondensadaDate
2016-02-12Subjects
Nanofotónica - Tesis doctorales; Fotónica - Tesis doctorales; FísicaNote
Tesis Doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada. Fecha de lectura: 12 de febrero de 2016Esta tesis tiene embargado el acceso al texto completo hasta el 12-08-2017
Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.
Abstract
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
alternativa 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 tecnológica y económicamente viables, siendo probablemente la
miniaturización de los componentes por debajo del límite de difracción
de la luz 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 superfice, 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. La forma más sencilla de lograrlo
es, probablemente, la aplicación de un campo magnético externo, dando
como resultado un nuevo campo de estudio que se conoce como magnetoplasmónica.
En vista de las prometedoras posibilidades que ofrecen estos
sistemas, la presente tesis doctoral está dedicada al estudio teórico de la
propagación de ondas en sistemas magnetoplasmónicos.
Empezaremos esta tesis doctoral haciendo una breve introducción al concepto
de SPP detallando su relación de dispersión. Tal y como se explica
en el texto, para lograr excitar el SPP se tiene que cumplir la conservación
de momento, por lo que debemos aportar un vector de onda extra
paralelo a la superficie. Aunque existen diferentes alternativas en la literatura
para conseguir acoplar el vector de onda incidente y excitar así
el plasmón hemos elegido la nano-estructuración de la superficie mediante
una red periódica de agujeros nanométricos (de tamaño menor que
la longitud de onda de la luz). Continuaremos estudiando los efectos que
tiene sobre las propiedades ópticas del sistema la presencia de un campo
magnético externo; en concreto, nos centraremos en estudiar el efecto en
la intensidad y polarización de la luz transmitida y reflejada, lo que se
conoce como efectos Faraday y Kerr para diferentes configuraciones de
campo.
El desarrollo teórico que hemos llevado a cabo para describir la propagación
de ondas en sistemas de multicapas nano-escructuradas periódicamente
se basa en el método de la matriz de scattering. Aunque este
método se ha utilizado anteriormente para estudiar la actividad magnetoóptica
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. El problema radica en que la propagación de
los estados propios en las diferentes capas, no se puede resolver como un
problema de valores propios estándar. Por tanto, cuando la anisotropía
óptica de los materiales incluye elementos fuera de la diagonal del tensor
dieléctrico todos los métodos anteriores fallaban. A lo largo de la
presente tesis doctoral se ha desarrollado una generalización del método
de la matriz de scattering que resuelve este problema describiendo la
actividad magneto-óptica en sistemas nano-estructurados para cualquier
configuración utilizando la expansión en componentes de Fourier del tensor
dieléctrico; en concreto, nos centraremos en el estudio de membranas
magnetoplasmónicas perforadas de forma periódica.
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. Utilizando el método desarrollado anteriormente,
analizaremos 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. Posteriormente, estudiaremos las
implicaciones de la geometría de la red en dichas membranas variando el
tamaño de los agujeros.
Con el fin de mejorar las propiedades de nuestras membranas, se ha optado
por utilizar sistemas híbridos que aúnen las capacidades magnetoópticas
de los materiales ferromagnéticos con las buenas propiedades de
los SPPs que presentan los metales nobles. Para esto se han estudiado
membranas híbridas formadas por multicapas de oro – cobalto – oro con
agujeros nanométricos dispuestos de forma periódica. 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.
Del mismo modo, vemos que el efecto Kerr transversal magneto-óptico
(TMOKE por sus siglas en inglés “Transverse Magneto-Optical Kerr Effect”)
aumenta drásticamente debido a la interacción de las propiedades
magneto-ópticas de la membrana ferromagnética y de las propiedades
plasmónicas de los metales nobles. Se propone entonces el uso de dichas
membranas híbridas como transductores en sensores magneto-ópticos de
resonancia de plasmón superficial. La respuesta magneto-óptica 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.
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