Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/96362
Title: Trapping light in metal and topological nanostructures
Authors: Silva, Solange Vieira da
Orientador: Silveirinha, Mário Gonçalo Mestre Veríssimo
Morgado, Tiago André Nogueira
Keywords: Plasmonics; Nonlinear effects; Embedded eigenstates; Wire media; Subwavelength imaging; Metamaterials; Topological photonics; Chern number; Bulk-edge correspondence; Plasmónica; Estados próprios embutidos; Imagiologia sub-lambda; Fotónica topológica; Correspondência volume-interface; Efeitos não-lineares; Meios de fios; Metamateriais; Número de Chern
Issue Date: 23-Jul-2020
Project: SFRH/BD/105625/2015 
Abstract: Nanophotonics is a field of research dedicated to study the interactions of nanosized-objects with light. One of the goals of nanophotonics is to enable the miniaturization of optical components at a competitive scale with microelectronics. There are several rewards in using light based technologies, such as building photonic circuits that are not only smaller but faster and more efficient than the electronic counterparts, new solar cells that have enhanced energy absorption, nano-optical sensors able to detect ultralow concentrations of molecules in chemical solutions, amongst many others. My work aims to contribute to this field of research by exploring new mechanisms to accomplish an efficient spatial confinement of light. This thesis is devoted to the analytical and numerical study of three different ways to confine light in the nanoscale. First, we investigate light trapping in open plasmonic resonators (metaatoms) with different shapes. It is found that in some conditions complexshaped dielectric cavities may support discrete light states screened by volume plasmons that in the limit of a vanishing material loss have an infinite lifetime. The embedded eigenstates can be efficiently pumped with a plane wave excitation when the meta-atom core has a nonlinear response, such that the trapped light energy is precisely quantized. Then, we investigate how the spatial dispersion effects, e.g., caused by the electron-electron interactions in a metal, affect these trapped eigenstates in three-dimensional open plasmonic resonators. Heuristically, one may expect that the repulsive-type electron-electron interactions should act against light localization, and thereby that they should have a negative impact on the formation of the embedded eigenstates. Surprisingly, it is found that the nonlocality of the material response creates new degrees of freedom and relaxes the requirements for the observation of trapped light. In particular, a zero-permittivity condition is no longer mandatory and the same resonator shell can potentially suppress the radiation loss at multiple frequencies. The possibility to trap and guide light in wire metamaterials is also investigated. Specifically, we investigate the guided modes supported by a metamaterial slab formed by two mutually orthogonal and nonconnected sets of parallel metallic wires. It is demonstrated that the wire medium slab has a peculiar comb-like dispersion diagram. In the continuum approximation, the metamaterial supports a diverging number of guided mode branches that accumulate near the light line due to a strong hyperbolic response in the static limit. In a realistic system, the number of guided modes branches is finite and is determined by the density of wires. Remarkably, the guided modes may be characterized by a fast field variation along the transverse direction, which can be exploited to detect subwavelength particles or defects. Lastly, we investigated topological trapped states in photonic crystals. We show that in one-dimensional periodic systems the number of bands below a band gap determines the topological Chern number of an extended system with a synthetic dimension. It is theoretically and numerically demonstrated that in real-space the Chern number gives the number of gapless trapped state branches localized at the interface of the photonic crystal, when its geometry is continuously displaced by one lattice period. Furthermore, we introduce a novel class of topological systems with inversion-symmetry and fractional (non-integral) Chern numbers. It is proven that the non-integral topological number arises due to the discontinuous behaviour of the Hamiltonian in the spectral domain. We introduce a bulk-edge correspondence that links the number of edge-states with the fractional topological number.
A nano-fotónica é uma área de investigação dedicada ao estudo das interacções da luz com objectos nanométricos. Um dos objectivos da nanofotónica é possibilitar a miniaturização de componentes ópticos para uma escala competitiva com a microelectrónica. Existem vários benefícios em usar tecnologia fotónica, como a construção de circuitos fotónicos com pequenas dimensões que não são apenas mais rápidos mas também mais eficientes do que as suas contrapartes eletrónicas, novas células solares com uma maior absorção energética, sensores nano-ópticos capazes de detectar concentrações extremamente baixas de moléculas em soluções químicas, entre outros. O objectivo principal do meu trabalho é contribuir para esta área de investigação, explorando novos mecanismos de confinamento espacial da luz de forma eficiente. Esta tese é dedicada ao estudo analítico e numérico de três mecanismos diferentes de confinar a luz à nano-escala. Em primeiro lugar, é investigado o aprisionamento da luz em ressoadores plasmónicos abertos (meta-átomos) de diferentes geometrias. É mostrado que, em certas condições, cavidades dieléctricas de geometrias complexas podem suportar estado fotónicos discretos que, no limite em que as perdas materiais são nulas, possuem tempos de vida infinitos. Estes estados surgem devido à acção dos plasmões de volume suportados pela camada plasmónica exterior do meta-átomo e podem ser excitados eficientemente por uma onda plana quando o núcleo do ressoador possui uma resposta não-linear. Demonstra-se que a energia aprisionada no núcleo do ressoador é precisamente quantizada. Depois, é investigado o impacto dos efeitos de dispersão espacial, causados por exemplo pelas interacções electrão-electrão em metais, nos estados próprios embebidos suportados por ressoadores abertos plasmónicos tridimensionais. Heuristicamente, seria de esperar que as interacções repulsivas electrão-electrão agissem de maneira deteriorante no mecanismo de localização de luz e, portanto, tivessem um impacto negativo na formação dos estados próprios embebidos. Surpreendentemente, é mostrado neste trabalho que a dispersão não-local do material que encapsula o meta-átomo dá origem a novos graus de liberdade e relaxa os requisitos necessários ao aprisionamento da luz. Em particular, a condição que exige que o material da cápsula exiba uma permitividade exactamente igual a zero deixa de ser obrigatória, passando a ser possível que a mesma cápsula suprima a perda por radiação em várias frequências. É estudada de seguida a possibilidade de aprisionar e guiar luz em metamateriais de fios metálicos. Especificamente, investigamos os modos guiados suportados por um metamaterial formado por dois planos de fios metálicos mutuamente ortogonais. É demonstrado que o meio de fios tem um diagrama de dispersão peculiar, semelhante a um pente. No limite em que o material é visto como um meio contínuo (homogeneizado), o metamaterial suporta um número divergente de “ramos” de modos guiados que se acumulam junto à linha da luz devido à forte resposta hiperbólica do metamaterial no limite estático. Num sistema realista, o número de ramos é finito e determinado pela densidade de fios. Curiosamente, os modos são caracterizados por uma variação do campo rápida na direcção transversal, que pode ser explorada na detecção de partículas e defeitos de dimensão sub-lambda. Por último, são investigados modos de luz topologicamente aprisionados em cristais fotónicos. São estudadas as propriedades topológicas de sistemas periódicos unidimensionais, e é mostrado que o número de bandas abaixo do hiato de frequências determina o número de Chern de um sistema extendido com uma dimensão sintética. É demonstrado teórica e numericamente que, no espaço-real, o número de Chern determina o número de estados aprisionados na interface de um cristal fotónico no intervalo de frequências da banda não-propagante, quando a sua geometria sofre uma deslocação contínua de um período de estrutura. Além disso, é introduzida uma nova classe de sistemas topológicos com inversão de simetria e números de Chern fraccionários. É provado que o número topológico fraccionário é devido às descontinuidades do Hamiltoniano no domínio espectral. É introduzida uma correspondência volume-interface que liga o número de estados de interface com o número topológico fraccionário.
Description: Tese no âmbito do Doutoramento em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, ramo de especialização em Telecomunicações, orientada pelos Professores Doutores Mário Gonçalo Mestre Veríssimo Silveirinha e Tiago André Nogueira Morgado e apresentada no Departamento de Engenharia Electrotécnica e de Computadores da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.
URI: http://hdl.handle.net/10316/96362
Rights: openAccess
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UC - Teses de Doutoramento

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