Tesis doctoral de Alberto González Curto
La emisión de luz radica en el corazón tanto de la ciencia fundamental como de varias aplicaciones tecnológicas. En su origen están las transiciones electrónicas en nanomateriales como moléculas, átomos y semiconductores. La interacción de la luz con uno de estos emisores cuánticos es ineficiente debido a su carácter puntual. Es necesario, por tanto, desarrollar interfaces más eficientes entre la luz y la materia de tamaño nanoscópico. Inspirándonos en la comunicación entre pequeños circuitos electrónicos que permiten las antenas de radio, se puede interactuar más eficientemente con un emisor utilizando una nanoantenna como elemento óptico que convierte la energía localizada en radiación propagante. esta tesis trata sobre el control de la emisión de luz con tales antenas ópticas. Acoplando un emisor a una antena metálica, las propiedades de la emisión pasan a estar determinadas por el modo de la antena en dirección, tasas de transición, polarización y espectro. En el capítulo 1, establecemos las nociones básicas de la teoría de antenas ópticas. Para acoplar un emisor a una antena, éste debe encontrarse en su campo cercano. En el capítulo 2, presentamos un método de nanofabricación para posicionar puntos cuánticos sobre nanoestructuras metálicas con alta resolución espacial. Para caracterizar los sistemas emisor-antena resultantes, adquirimos imágenes mediante microscopía confocal y medimos sus patrones angulares de radiación. Esta combinación de métodos experimentales nos permite el estudio de cualquier antena óptica. el diseño canónico de una antena es un cable metálico. Es la base para entender y construir otras antenas ópticas. Mediante acoplamiento selectivo de un punto cuántico a los modos resonantes de un nanocable, en el capítulo 3 demostramos que la emisión de una fuente dipolar puede ser convertida en radiación multipolar controladamente. Describimos la antena como un resonador de onda estacionario para plasmones y reproducimos su emisión con una expansión multipolar. Se puede considerar una apertura en una película metálica como la estructura complementaria de un cable. En el capítulo 4, tratamos la emisión de luz a través de una apertura rectangular como un problema de antenas. Demostramos, explícitamente, que una nano-ranura resonante posee respuesta dipolar magnética. Estas antenas permiten una conversión eficiente entre emisores de fotones y plasmones superficiales. La excitación o detección de un emisor dipolar conlleva ángulos sólidos grandes. Para abordar un emisor cuántico individual eficientemente desde el campo lejano, se requieren patrones angulares con una baja divergencia. Con estre fin, en el capítulo 5 desarrollamos e implementamos antenas ópticas unidireccionales. Demostramos cómo la emisión de un emisor cuántico puede ser dirigida por antenas multi-elemento de yagi-uda y logarítmicas periódicas y observamos direccionalidad en una antena compuesta por un único elemento con forma de diapasón. La emisión de luz ocurre normalmente a través de transiciones de dipolo eléctrico porque las tasas de emisión multipolares son, por lo general, mucho más lentas. Sin embargo, en algunos materiales se pueden observar transiciones multipolares. En el capítulo 6, evaluamos la posibilidad de mejorar la emisión de transiciones dipolares magnéticas y cuadrupolares eléctricas mediante distintos diseños realistas de antenas ópticas. los resultados de esta tesis demuestran el potencial de las antenas ópticas como elementos para el control de la luz a escalas nanométricas, basadas en la ingeniería de antenas de radio y microondas. Dentro de este paradigma, se puede manipular la interacción de la luz con la materia con total flexibilidad. tal grado de control sobre la emisión y la absorción de la luz podría tener un gran impacto práctico en espectroscopía, sensores, pantallas, iluminación, energía fotovoltaica y todo tipo de dispositivos ópticos y optoelectrónicos.
Datos académicos de la tesis doctoral «Optical antennas control light emission«
- Título de la tesis: Optical antennas control light emission
- Autor: Alberto González Curto
- Universidad: Politécnica de catalunya
- Fecha de lectura de la tesis: 16/07/2013
Dirección y tribunal
- Director de la tesis
- Niek F. Van Hulst
- Tribunal
- Presidente del tribunal: harald Giessen
- jérí´me Wenger (vocal)
- markus Raschke (vocal)
- simon elliot Wall (vocal)