Frontiers in plasmonics: transformation optics, magnetic plasmons, brownian ratchets and quantum phenomena

Autor: Arroyo Huidobro, Paloma
Přispěvatelé: García Vidal, Francisco José, UAM. Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada
Rok vydání: 2013
Předmět:
Zdroj: Biblos-e Archivo. Repositorio Institucional de la UAM
instname
Popis: Tesis doctoral inédita, leída en Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada. Fecha de lectura: 13-12-2013
This Thesis is devoted to various topics that lay at the frontier of the Plasmonics research field. All of them are based on the remarkable properties featured by surface plasmons. Surface plasmons are surface electromagnetic waves supported by metallic nanostructures that are capable of concentrating the electromagnetic fields at scales beyond the diffraction limit. First, we deal with the potentiality of propagating surface plasmons as a new route for devising photonic circuits, where the subwavelength field confinement could lead to more compact devices. For this purpose, we apply the theoretical framework of Transformation Optics to mold the flow of plasmons through the design of plasmonic elements. We present a number of potential devices and perform a detailed analysis of their performances. Next, we consider the transfer of the properties featured by surface plasmons to lower frequency regimes based on the concept of spoof plasmons. In particular, we demonstrate the emergence of localized surface plasmon modes of geometrical origin in metallic particles whose surface is periodically textured at a subwavelenght scale. We study in detail a novel magnetic mode appearing in such structures, which features subwavelength confinement and has no analogue in conventional particle plasmonics. This magnetic localized surface plasmon has been experimentally demonstrated, proving the predictive value of our theory. Next, we present a work framed within the area of plasmonic-based optical trapping, where the field enhancement localized at metallic antennas is used to trap nanoscopic objects with subwavelength control. In particular, we propose a Brownian ratchet based on an array of optical antennas. This device goes beyond conventional nano-optical trapping, as it enables not only the trapping of dielectric or biological targets at subwavelength volumes but also their directed transport over long distances. Finally, we address the topic quantum emitters interacting with the electromagnetic modes supported by flat plasmonic structures. The subwavelength confinement of the fields enhances the interaction strength between photons and quantum emitters. By means of an appropriate quantum formalism we treat the different regimes that emerge in these systems. We show that an individual quantum emitter placed in the close vicinity of metal/dielectric interfaces may undergo reversible dynamics. We also demonstrate that the coupling between two distant emitters can be mediated by a plasmonic mode, in particular, the surface plasmons propagating along graphene sheets and ribbons. In addition, we study the regime where an ensemble of quantum emitters coherently exchanges energy with a surface plasmon propagating along a metal/dielectric interface.
Esta tesis está dedicada a cuatro temas que se encuentran en la frontera del campo de investigación denominado Plasmónica. Los distintos temas que hemos considerado se basan en las propiedades características de los plasmones de superficie. Los plasmones de superficie son ondas electromagnéticas de superficie confinadas en nano-estructuras metálicas, capaces de confinar el campo electromagnético a escalas nanométricas, más allá del límite fundamental de la difracción. En primer lugar, hemos considerado la potencialidad de los plasmones de superficie para generar una nueva ruta hacia el diseño de circuitos fotónicos. Con este objetivo, aplicamos el marco teórico de la Óptica de Transformación al diseño de elementos plasmónicos que controlen la propagación de plasmones de superficie en la interfaz entre un metal y un dieléctrico. En concreto, presentamos una serie de dispositivos con distintas funcionalidades, haciendo un análisis detallado de sus respectivos funcionamientos. En segundo lugar, basándonos en el concepto de plasmones spoof, estudiamos la posibilidad de transferir las propiedades características de los plasmones de superficie a regímenes de frecuencia más bajos. En particular, demostramos la emergencia de un plasmón superficial localizado de carácter magnético dipolar que no tiene analogía en los plasmones localizados canónicos que aparecen a frecuencias más altas. Su origen es geométrico y aparece en partículas metálicas cuya superficie está corrugada periódicamente a escalas menores que la longitud de onda relevante. Estudiamos este modo magnético en detalle, viendo que presenta confinamiento a escalas menores que la longitud de onda. Además, este modo magnético ha sido experimentalmente verificado, lo que prueba el valor predictivo de nuestra teoría. Por otra parte, presentamos una propuesta enmarcada en el campo del control de objetos nanoscópicos mediante estructuras plasmónicas, que se basa en los altos campos electromagnéticos localizados en antenas metálicas. Nuestra propuesta va más allá de los dispositivos convencionales para atrapar partículas de tamaño nanoscópico, ya que permite no sólo atrapar objetos sino también su transporte a lo largo de distancias largas comparadas con su tamaño. En concreto, este concepto se puede aplicar al control de partículas dieléctricas o incluso objetos biológicos. Finalmente, estudiamos la interacción entre emisores cuánticos y los modos electromagnéticos presentes en estructuras plasmónicas. El confinamiento de los campos en escalas menores que la longitud de onda incrementa el acoplo entre los emisores cuánticos y los fotones. A través del formalismo cuántico apropiado, estudiamos los distintos regímenes que aparecen en estos sistemas. Mostramos que un sólo emisor localizado en las cercanías de una superficie metálica puede experimentar una dinámica reversible. También probamos que el acoplo entre dos emisores distantes puede mediarse a través de un modo plasmónico, en particular, los plasmones de superficie que se propagan a través de láminas y tiras de grafeno. Además, estudiamos el acoplo coherente de energía entre una colección de emisores cuánticos y el plasmón que se propaga a través de una superficie metálica.
Databáze: OpenAIRE
Externí odkaz: