Chiral optics in corrugated metasurfaces interacting with atomic-width semiconductors
La óptica quiral es una subárea de la óptica que estudia la interacción de la luz con materiales quirales. En esta tesis, nos centramos en una estructura prometedora: metasuperficies corrugadas interactuando con semiconductores de anchura atómica, analizando teóricamente sus propiedades ópticas quir...
| Autores: | , |
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| Formato: | tesis de maestría |
| Estado: | Versión publicada |
| Fecha de publicación: | 2025 |
| País: | España |
| Recursos: | Universidad de Zaragoza |
| Repositorio: | Zaguán. Repositorio Digital de la Universidad de Zaragoza |
| OAI Identifier: | oai:zaguan.unizar.es:164150 |
| Acesso em linha: | http://zaguan.unizar.es/record/164150 |
| Access Level: | acceso abierto |
| Palavra-chave: | física del estado sólido electromagnetismo propiedades ópticas de materiales física |
| Resumo: | La óptica quiral es una subárea de la óptica que estudia la interacción de la luz con materiales quirales. En esta tesis, nos centramos en una estructura prometedora: metasuperficies corrugadas interactuando con semiconductores de anchura atómica, analizando teóricamente sus propiedades ópticas quirales.<br />En este trabajo, revisamos el marco teórico mínimo necesario para estudiar metasuperficies plasmónicas compuestas por matrices de agujeros rectangulares en láminas metálicas. Utilizando el método de modos acoplados, desarrollamos un nuevo formalismo que permite obtener directamente los coeficientes de reflexión en el campo lejano. Los acoplamientos geométricos son los elementos<br />clave de este procedimiento, ya que establecen las conexiones entre los distintos órdenes de Bragg en el espacio de polarización.<br />Derivamos las ecuaciones que rigen las metasuperficies e identificamos tanto los términos responsables del spin-momentum locking, que establecen reglas de selección entre la polarización y el momento de los órdenes de difracción, como los términos que rompen este comportamiento al mezclar componentes de espín. Esta ruptura se atribuye a la discrepancia entre la definición de luz circularmente polarizada, relativa a la dirección de propagación de los órdenes de difracción correspondientes, y las simetrías del sistema, definidas con respecto a la dirección z de la metasuperficie.<br />Demostramos que, aunque esta ruptura puede ser despreciable en algunos casos, particularmente cuando los vectores de onda en el plano son pequeños, se vuelve fundamental cuando se excitan plasmones de superficie. En este último caso, pueden establecerse unas reglas de selección modificadas para el spin-momentum locking, interpretándose como un proceso de dispersión en dos pasos que involucra la excitación y desexcitación secuencial de un plasmón.<br />Estos resultados se obtienen también a partir de un formalismo complementario basado en la resolución de las amplitudes del campo eléctrico en las aperturas, en lugar de mediante el nuevo enfoque que involucra directamente los coeficientes de reflexión. Este procedimiento alternativo nos permite encontrar expresiones analíticas para las amplitudes del campo cercano y esclarecer el papel de las resonancias plasmónicas en las propiedades quirales de las superficies corrugadas.<br />Asimismo, exploramos la interacción entre metasuperficies quirales y materiales bidimensionales, observando dicroísmo circular en las monocapas debido a la quiralidad inducida por la metasuperficie. Cuando el material 2D se coloca sobre un separador dieléctrico, demostramos que pueden excitarse resonantemente modos de guía de onda de polarización transversal-eléctrica inducidos por el separador, los cuales también producen dicroísmo circular en el material 2D. Este sistema obedece otro conjunto de reglas de selección modificadas para el spin-momentum locking, en las cuales el carácter transversal-eléctrico de estos modos sustituye al carácter transversal-magnético de los plasmones.<br />Aplicamos el formalismo desarrollado para (i) estudiar una capa idealizada de moléculas quirales y (ii) analizar separadamente la absorción en los valles K/K0 de una monocapa de WS2. Además, extendemos nuestro análisis a nanoestructuras más sofisticadas, en particular, cavidades quirales, derivando las ecuaciones del sistema compuesto por una matriz de agujeros sobre a una matriz de hendiduras.<br />Finalmente, exploramos el concepto de topología en sistemas fuertemente acoplados. Proponemos un modelo mínimo que presenta la ruptura de la correspondencia borde-volumen observada en estudios previos de sistemas complejos, cuyo origen aún no se ha explicado completamente. Nuestro modelo mínimo consiste en una cadena de primeros vecinos en un modelo tight-binding acoplada a una cadena Su-Schrieffer-Heeger. Nuestro trabajo descarta algunos mecanismos posibles de esta ruptura y presenta nueva fenomenología asociada a la ruptura de la correspondencia borde-volumen.<br /> |
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