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Título

Theory and simulation of the optical response of novel nanomaterials from visible to terahertz

AutorAmeen Poyli, M.
DirectorEsteban, Ruben; Aizpurua, Javier
Fecha de publicación2015
EditorUniversidad del País Vasco
ResumenLos avances tecnológicos ocurridos a partir del siglo XVI han permitido explorar tanto el mundo microscópico como el macroscópico, gracias al desarrollo de dispositivos basados en lentes y espejos, desconocidos hasta entonces. El telescopio, inventado por Hans Lippershey y utilizado por Galileo Galilei y sus contemporáneos para realizar sus observaciones astronómicas, ha permitido revelar los misterios del cosmos. En la escala opuesta, el uso del microscopio por Zacharias Janssen, Robert Hooke y Antonie van Leeuwenhoek inauguró el estudio del mundo de los microorganismos y de lo diminuto. En el siglo XVII se produjo un considerable avance en el estudio la naturaleza de la luz, con dos teorías que años más tarde se revelarían como complementarias: la teoría corpuscular de Isaac Newton y la teor´ıa ondulatoria de Christiaan Huygens. Posteriormente, James Clerk Maxwell postuló la teoría electromagnética, mediante la cual estableció la naturaleza ondulatoria de la luz compuesta de oscilaciones de campos eléctricos y magnéticos y sentó las bases para la posterior aparición de la óptica física y de la fotónica. Unas décadas más tarde, el desarrollo de la óptica cuántica y de la dualidad onda-partícula de la luz permitieron una comprensión más profunda de la naturaleza de la luz. Los microscopios modernos, apoyados por potentes ordenadores y tecnologías de alta precisión, permiten observar microorganismos y otros objetos muy pequeños a escala nanométrica, así como también estudiar procesos ultrarápidos en volúmenes reducidos. Sin embargo, el efecto de la difracción impone a menudo una barrera a nuestra capacidad de estudiar el mundo microscópico. Debido a su naturaleza ondulatoria, la óptica convencional no permite enfocar la luz por debajo de un área menor que aproximadamente la mitad su longitud de onda, es decir, en dimensiones inferiores a unos pocos cientos de nanómetros. Por tanto, objetos menores de unos 200 nanómetros no pueden ser distinguidos mediante microscopios ópticos convencionales. Las partículas dieléctricas y metálicas de tamaño reducido exhiben modos electromagnéticos bien definidos, como se pone de manifiesto cuando son iluminadas por radiación electromagnética. Una de las principales características de estos modos es la presencia de ondas evanescentes que concentran la energía incidente cerca de la partícula, en una región muy pequeña de dimensiones comparables o incluso mucho más pequeñas que la longitud de onda incidente. Uno de los principales motores que han motivado el avance de la nanofotónica, una rama de la ciencia incluida dentro de la nanociencia y la nanotecnología, ha sido controlar y utilizar la luz más allá del límite de difracción. Los esfuerzos iniciales en el campo de la nanofotónica se basaron en gran medida en tres tipos de sistemas: resonadores dieléctricos, puntos cuánticos y nanopartículas metálicas. Los resonadores basados en materiales dieléctricos son estructuras de tamaño normalmente micrométrico que exhiben resonancias de tipo Fabry-Perot o similares, que permiten alcanzar factores de calidad extremadamente altos y un considerable aumento del campo eléctrico. Los puntos cuánticos son nanoestructuras semiconductoras cristalinas con niveles energéticos cuantizados debido al confinamiento de los pares electrón-hueco.
Las transiciones entre estos niveles energéticos corresponden a menudo a frecuencias ópticas, y se manifiestan en forma de líneas espectrales muy estrechas de absorción y emisión, que pueden ser sintonizadas si se cambian las propiedades estructurales o el tamaño del sistema. Los metales nobles tales como la plata y el oro presentan gran interés en aplicaciones plasmónicas y nanofotónicas porque exhiben claras resonancias electromagnéticas en la región visible e infrarroja del espectro. Las resonancias en estructuras métalicas permiten localizar los campos electromagnéticos en regiones muy inferiores a lo permitido por el límite de difracción. En la actualidad se buscan materiales alternativos a los anteriormente apuntados, que presenten propiedades ópticas novedosas y útiles para mejorar el control sobre los campos eléctricos y magnéticos, en regiones de dimensiones nanométricas y en un espectro lo más amplio posible. Dentro de este esfuerzo se encuadran diversos trabajos que han comenzado a investigar metales plasmónicos no convencionales, partículas pequeñas de materiales dieléctricos, cristales fonónicos y sistemas electrónicos bidimensiones, entre otros. De manera más específica, algunos metales plásmonicos no convencionales tales como el paladio, el platino y el cobalto pueden presentar pérdidas de energía superiores a las del oro o la plata pero, como contrapartida, pueden resultar útiles en aplicaciones tales como catálisis, sensórica de gases o magneto-óptica, por ejemplo. Por otra parte, las partículas dieléctricas de tamaño submicrométrico permiten excitar una fuerte respuesta eléctrica y magnética en el rango espectral del infrarrojo cercano. Los materiales polares como el carburo de silicio también presentan resonancias ópticas claras en frecuencias que corresponden al infrarrojo medio, debidas a las vibraciones fonónicas de la estructura cristalina. Finalmente, el grafeno, los aislantes topológicos y otros materiales constituidos por gases electrónicos bidimensionales presentan propiedades ópticas muy peculiares que se extienden desde frecuencias de la luz visible hasta la radiación de terahertz, y permiten confinar la luz en volúmenes de dimensiones muy inferiores a la longitud de onda. Estos sistemas con pocas pérdidas pueden ser sintonizados mediante una fuente de tensión externa. Esta tesis describe los estudios teóricos sobre las propiedades ópticas de diversas estructuras y nanomateriales que permiten controlar la luz en un amplio rango de frecuencias.
DescripciónThesis developed by Mohamed Ameen Poyli for the degree of doctor of philosophy in physics.
URIhttp://hdl.handle.net/10261/137343
Aparece en las colecciones: (CFM) Tesis
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