Nanoscale spatial control of light in optical antennas

Abstract

El control dinámico y determinístico de la luz en una escala espacial por debajo de la longitud de onda es un requisito clave para ampliar los conceptos y las funcionalidades de la macro-óptica hasta la escala nanométrica. Un mayor nivel de control también tendrá implicaciones importantes en nuestra comprensión de los fenómenos ópticos en la nanoescala. Uno de los principales problemas en nano-óptica tiene como objetivo describir cómo y con qué precisión es posible controlar la distribución espacial de la luz de forma dinámica en la nanoescala. Desafortunadamente, un límite fundamental de la física – el límite de difracción de la luz – afecta nuestra capacidad de seleccionar ópticamente puntos separados por menos de media longitud de onda de la luz. El campo de la plasmónica ofrece una oportunidad única para cerrar la brecha entre el límite de difracción y la escala nanométrica. Nanoantenas metálicas pueden acoplarse eficientemente a luz propagante y focalizarla en volúmenes nanométricos, y viceversa. Además, estas nanoantenas prometen mejorar significativamente la eficiencia de procesos como le fotodetección, la emisión de luz, sensores, transferencia de calor, y espectroscopía a la escala nanométrica. Aprender a controlar de forma precisa la respuesta óptica de estas nanoantenas representa un enfoque muy prometedor para controlar la distribución espacial y temporal de la luz a la escala nanométrica. Tradicionalmente, se han desarrollado dos principales estrategias para el control de la respuesta óptica de nanoantenas plasmónicas: la primer estrategia (estrategia estática) tiene como objetivo la optimización del diseño geométrico de las nanoantenas acorde a su aplicación, mientras que la segunda estrategia (estrategia dinámica) tiene como objetivo la modulación reversible del campo cercano de una nanoestructura dada a través de la manipulación de la luz de excitación en el tiempo y el espacio. El trabajo presentado en esta Tesis extiende el estado del arte de estas dos estrategias, y desarrolla nuevas herramientas, tanto experimentales como teóricas, para ampliar el nivel de control que tenemos sobre la distribución espacial de la luz debajo del límite de difracción. Después de presentar una visión general de los principios básicos de nano-óptica y de la óptica de lo plasmones de superficie, el Capítulo 1 repasa los avances en el control de la respuesta óptica de nanoestructuras metálicas – sea por una estrategia estática o dinámica – en el momento en que se inició este trabajo de investigación. La modificación de la geometría y las dimensiones de las nanpartículas metálicas sigue siendo un ingrediente fundamental para controlar las resonancias plasmónicas y los campos de luz a la escala nanométrica. Como ejemplos novedosos de control estático, por lo tanto, los Capítulos 2 y 3 estudian nuevos diseños de estructuras plasmónicas con capacidades sin precedentes de modelar campos de luz a la escala nanométrica, en particular un diseño fractal y una nanoantena unidireccional tipo Yagi-Uda. Los Capítuols 4 y 5 describen una nueva herramienta teórica y experimental para el control dinámico y determinístico de la respuesta óptica de nanoantenas basada en la modulación espacial de la fase de la luz de excitación: el campo óptico cercano, que resulta de la interacción entre la luz y las nanoestructuras plasmónicas, es normalmente determinado por la geometría del sistema metálico y las propiedades de la luz incidente, como su longitud de onda y su polarización; sin embargo, el control exacto y dinámico del campo óptico cercano debajo de límite de difracción de la luz – independientemente de la geometría de la nanoestructura – es también un ingrediente importante para el desarrollo de futuros dispositivos nano-ópticos y para ampliar los conceptos y las funcionalidades de la óptica macroscópica a la escala nanométrica. Finalmente, la Conclusión resume los resultados de este trabajo y ofrece una visión general de algunos estudios paralelos a esta tesis. Algunas de las observaciones finales permiten echar un vistazo a las perspectivas y estrategias futuras para complementar el control estático y el control dinámico en una única herramienta, que podría avanzar enormemente nuestra capacidad de controlar la respuesta óptica de nanoantennas debajo del límite de difracción.

El control dinámico y determinístico de la luz en una escala espacial por debajo de la longitud de onda es un requisito clave para ampliar los conceptos y las funcionalidades de la macro-óptica hasta la escala nanométrica. Un mayor nivel de control también tendrá implicaciones importantes en nuestra comprensión de los fenómenos ópticos en la nanoescala. Uno de los principales problemas en nano-óptica tiene como objetivo describir cómo y con qué precisión es posible controlar la distribución espacial de la luz de forma dinámica en la nanoescala. Desafortunadamente, un límite fundamental de la física – el límite de difracción de la luz – afecta nuestra capacidad de seleccionar ópticamente puntos separados por menos de media longitud de onda de la luz. El campo de la plasmónica ofrece una oportunidad única para cerrar la brecha entre el límite de difracción y la escala nanométrica. Nanoantenas metálicas pueden acoplarse eficientemente a luz propagante y focalizarla en volúmenes nanométricos, y viceversa. Además, estas nanoantenas prometen mejorar significativamente la eficiencia de procesos como le fotodetección, la emisión de luz, sensores, transferencia de calor, y espectroscopía a la escala nanométrica. Aprender a controlar de forma precisa la respuesta óptica de estas nanoantenas representa un enfoque muy prometedor para controlar la distribución espacial y temporal de la luz a la escala nanométrica. Tradicionalmente, se han desarrollado dos principales estrategias para el control de la respuesta óptica de nanoantenas plasmónicas: la primer estrategia (estrategia estática) tiene como objetivo la optimización del diseño geométrico de las nanoantenas acorde a su aplicación, mientras que la segunda estrategia (estrategia dinámica) tiene como objetivo la modulación reversible del campo cercano de una nanoestructura dada a través de la manipulación de la luz de excitación en el tiempo y el espacio. El trabajo presentado en esta Tesis extiende el estado del arte de estas dos estrategias, y desarrolla nuevas herramientas, tanto experimentales como teóricas, para ampliar el nivel de control que tenemos sobre la distribución espacial de la luz debajo del límite de difracción. Después de presentar una visión general de los principios básicos de nano-óptica y de la óptica de lo plasmones de superficie, el Capítulo 1 repasa los avances en el control de la respuesta óptica de nanoestructuras metálicas – sea por una estrategia estática o dinámica – en el momento en que se inició este trabajo de investigación. La modificación de la geometría y las dimensiones de las nanpartículas metálicas sigue siendo un ingrediente fundamental para controlar las resonancias plasmónicas y los campos de luz a la escala nanométrica. Como ejemplos novedosos de control estático, por lo tanto, los Capítulos 2 y 3 estudian nuevos diseños de estructuras plasmónicas con capacidades sin precedentes de modelar campos de luz a la escala nanométrica, en particular un diseño fractal y una nanoantena unidireccional tipo Yagi-Uda. Los Capítuols 4 y 5 describen una nueva herramienta teórica y experimental para el control dinámico y determinístico de la respuesta óptica de nanoantenas basada en la modulación espacial de la fase de la luz de excitación: el campo óptico cercano, que resulta de la interacción entre la luz y las nanoestructuras plasmónicas, es normalmente determinado por la geometría del sistema metálico y las propiedades de la luz incidente, como su longitud de onda y su polarización; sin embargo, el control exacto y dinámico del campo óptico cercano debajo de límite de difracción de la luz – independientemente de la geometría de la nanoestructura – es también un ingrediente importante para el desarrollo de futuros dispositivos nano-ópticos y para ampliar los conceptos y las funcionalidades de la óptica macroscópica a la escala nanométrica. Finalmente, la Conclusión resume los resultados de este trabajo y ofrece una visión general de algunos estudios paralelos a esta tesis. Algunas de las observaciones finales permiten echar un vistazo a las perspectivas y estrategias futuras para complementar el control estático y el control dinámico en una única herramienta, que podría avanzar enormemente nuestra capacidad de controlar la respuesta óptica de nanoantennas debajo del límite de difracción.