Design and implementation of plasmonic metamaterials and devices

Abstract

La plasmónica es la ciencia que estudia la interacción, a escala nanométrica, entre la luz y los electrones libres de los metales, dando lugar a la propagación de ondas altamente confinadas a su superficie. La plasmónica tiene multitud de aplicaciones en nanotecnología, como son el sensado biológico y químico, espectroscopía, nanolitografía, comunicaciones de banda ultra ancha integradas en chips, nanoantenas para luz, filtrado, y manipulación de señales ópticas, entre muchas otras. Una de las aplicaciones más novedosas es la creación de metamateriales: estructuras artificiales diseñadas para controlar la propagación de la luz, con aplicaciones fascinantes como la lente perfecta o la capa de invisibilidad. La plasmónica y los metamateriales están al frente de la investigación actual en fotónica, gracias al auge de la nanotecnología y la nanociencia, que abre las puertas a una gran cantidad de nuevas aplicaciones.

Esta tesis, desarrollada en el Centro de Tecnología Nanofotónica de Valencia de la UPV, en colaboración con la University of Pennsylvania y King's College London, trata de aportar nuevas ideas, estructuras y dispositivos a los campos de la plasmónica y los metamateriales, tratando de realizar su fabricación y medida experimental cuando sea posible. La tesis no se ciñe a una única aplicación o dispositivo, sino que realiza una extensiva exploración de los diversos sub-campos de la plasmónica en busca de fenómenos novedosos. Los resultados descritos son los siguientes:

En el campo de los metamateriales de índice negativo se presentan dos estructuras: nanocables en forma de U, y guías coaxiales plasmónicas. En el campo del sensado plasmónico se presenta el diseño y la prueba experimental de un sensor se sustancias químicas de altas prestaciones con nanocruces metálicas. También se detallan teóricamente: un novedoso dispositivo para luz lenta e inversión temporal de pulsos basada en metamateriales y cristales fotónicos, un metamaterial para conversión de polarización sintonizable mediante pérdidas, un análogo plasmónico al efecto de levitación Meissner en superconductores y un método de reducción de pérdidas en guías plasmónicas mediante interferencia en guías multimodo. Por último se presenta teórica y experimentalmente un nuevo ejemplo fundamental de interferencia de campo cercano, logrando la excitación unidireccional de modos fotónicos ---ya sean plasmónicos o no--- mediante los campos cercanos de un dipolo circularmente polarizado.