Ανισοτροπικά νανοσύνθετα φωτονικά υλικά

Abstract

In this thesis we study the optical properties of anisotropic photonic nanocomposites,which contain chiral or gyrotropic constituents, by means of rigorous full-electrodynamiccalculations using the layer-multiple-scattering method that we properly extend to structures of simple and coated bi-isotropic spheres, arbitrarily oriented axis-symmetric isotropic particles, and gyrotropic spheres magnetized along an arbitrary direction.We present a detailed analysis of the optical modes and light propagation in photoniccrystals consisting of homogeneous and metal-coated bi-isotropic spheres in a simpleisotropic medium. The photonic band structure of these crystals, which exhibits remarkable features peculiar to crystals that possess time-reversal but not space-inversion symmetry, is analyzed in the light of group theory and discussed in conjunction with relevant reflection and transmission spectra. We reveal the occurrence of strong band bending away from the Bragg points with consequent negative-slope dispersion inside the first Brillouin zone, slow-photon bands, and sizeable frequency gaps, which give rise to polarization-selective transmission and negative refraction for a short range of angles of incidence.We investigate the optical response of three-dimensional spiral-staircase structures ofmetallic nanorods. We show that the combination of plasmonic modes and helical arrangement of the nanorods results in the formation of collective optical eigenmodes with a specific predominant circular polarization character, sizable polarization gaps, and negative group velocity bands that lead to negative refraction. Multilayer slabs of thesestructures exhibit giant optical activity effects, combined with reduced dissipative losses,which persist for any angle of incidence and polarization direction. These effects, whichare robust against the twisting angle and become more pronounced with increasing particle concentration, can be tuned within a broad range of frequencies in the infrared and visible spectrum by appropriately choosing the rod length. All of these features make the proposed structures potentially useful for polarization control applications in miniaturized optoelectronic devices.We show that a relatively sparse photonic crystal of high-permittivity magnetic garnetspheres can induce a giant Faraday rotation of light transmitted through a finite slab of it.The underlying mechanism resides in wave propagation through collective Bloch modeswhich are strongly localized in the particles. An appropriate planar defect in this crystalsupports nonreciprocal interface states, due to the simultaneous lack of space-inversionand time-reversal symmetries. Moreover, strong nonreciprocal magnetochiral dichroism isdemonstrated in helical structures of such spheres, in flat band regions associated withenhanced natural and magnetic optical activity.A generic three-dimensional chiral structure as well as surface geometries of crystals ofmagnetized plasma spheres that lack both space-inversion and time-reversal symmetriesare also investigated. Photonic band diagrams of the chiral structure and relevant transmission spectra, are analyzed in the light of the theory of nonsymmorphic space groups, providing a consistent interpretation of some remarkable features and effects like Dirac points, polarization-dependent transmission, as well as band splitting and nonreciprocal optical response. On the other hand, dispersion diagrams of Tamm states at the (001) surface of a semi-infinite fcc crystal of magnetized plasma spheres as well as of guided modes of a square array of such spheres on a quartz substrate, and of plasmon polaritons at the surface of a plasmonic material coated with an overlayer of magnetized garnet spheres are calculated and nonreciprocal optical response of these structures is demonstrated in the Voigt geometry.

Στη διατριβή αυτή μελετώνται οι οπτικές ιδιότητες ανισοτροπικών νανοσύνθετων φωτονικώνυλικών, που εμπεριέχουν χειρόμορφα ή γυροτροπικά συστατικά, μέσω ηλεκτροδυναμικών υπολογισμών ακριβείας με τη μέθοδο στρωματικής πολλαπλής σκέδασης, την οποία επεκτείνουμε κατάλληλα σε σφαίρες από διισοτροπικό υλικό χωρίς και με επικάλυψη, δομές ισοτροπικών σωματιδίων με αξονική συμμετρία και οποιονδήποτε προσανατολισμό, καθώς και γυροτροπικές σφαίρες μαγνητισμένες κατά οποιαδήποτε διεύθυνση.Παρουσιάζεται μια λεπτομερής ανάλυση των οπτικών ιδιοκαταστάσεων και της διάδοσηςφωτός σε κρυστάλλους από διισοτροπικές σφαίρες, ομοιογενείς ή καλυμμένες με μεταλλικόφλοιό, σε απλό ισοτροπικό περιβάλλον μέσο. Η φωτονική δομή ζωνών των κρυστάλλων αυ-τών, η οποία έχει αξιοσημείωτα χαρακτηριστικά που απορρέουν από την ύπαρξη συμμετρίαςαντιστροφής χρόνου αλλά όχι χώρου, αναλύεται υπό το πρίσμα της θεωρίας ομάδων και συζητάται σε σχέση με αντίστοιχα φάσματα διέλευσης και ανάκλασης. Διαπιστώνεται η εμφάνιση ισχυρής κάμψης των ζωνών εκτός των σημείων Bragg με συνεπακόλουθη αρνητική κλίση της καμπύλης διασποράς μέσα στην πρώτη ζώνη Brillouin, καθώς και η ύπαρξη ζωνών αργών φωτονίων και χασμάτων συχνοτήτων που επάγουν διέλευση επιλεκτική ως προς την πόλωση και αρνητική διάθλαση για μια στενή περιοχή γωνιών πρόσπτωσης.Μελετάται η οπτική απόκριση τρισδιάστατων σπειρόμορφων δομών μεταλλικών νανοκυλίνδρων. Δείχνεται ότι ο συνδυασμός πλασμονικών καταστάσεων και ελικοειδούς διάταξης των νανοκυλίνδρων προκαλεί το σχηματισμό συλλογικών οπτικών ιδιοκαταστάσεων με συγκεκριμένο κυρίαρχο χαρακτήρα κυκλικής πόλωσης, ευρέα χάσματα πόλωσης, και ζώνες με αρνητική ταχύτητα ομάδας που οδηγούν σε αρνητική διάθλαση. Πολυστρωματικά πλακίδια αυτών των δομών εκδηλώνουν γιγαντιαία φαινόμενα οπτικής ενεργότητας, σε συνδυασμό με χαμηλές απώλειες, που διατηρούνται για κάθε γωνία πρόσπτωσης και διεύθυνση πόλωσης. Τα φαινόμενα αυτά, τα οποία παραμένουν σταθερά αν μεταβληθεί το βήμα της ελικοειδούς διάταξης και γίνονται πιο έντονα με την αύξηση της συγκέντρωσης των σωματιδίων, μπορούν να ρυθμιστούν κατά βούληση σε μια ευρεία περιοχή συχνοτήτων εντός του υπερύθρου και ορατού φάσματος επιλέγοντας κατάλληλα το μήκος των κυλίνδρων. ΄Ολα αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν τις προτεινόμενες δομές εν δυνάμει χρήσιμες σε εφαρμογές ελέγχου της πόλωσης σε μικροσκοπικές οπτοηλεκτρονικές διατάξεις.Δείχνεται ότι ένας σχετικά αραιός φωτονικός κρύσταλλος από σφαίρες μαγνητισμένου γρανάτη με μεγάλη διηλεκτρική σταθερά μπορεί να επάγει τεράστια στροφή Faraday σε φωςπου διέρχεται από ένα πεπερασμένο πλακίδιό του. Ο υπεύθυνος μηχανισμός ανάγεται σεκυματική διάδοση μέσω συλλογικών καταστάσεων Bloch που είναι ισχυρά εντοπισμένες στασωματίδια. Μια κατάλληλη επίπεδη ατέλεια στον κρύσταλλο αυτό εμφανίζει μη αντιστρεπτέςκαταστάσεις ενδοεπιφάνειας, λόγω ταυτόχρονης απουσίας συμμετρίας αντιστροφής χώρου και χρόνου. Επιπλέον, έντονος μη αντιστρεπτός χειρομαγνητικός διχρωισμός εκδηλώνεται σεελικοειδείς δομές τέτοιων σφαιρών, σε περιοχές στενών ζωνών που είναι συνυφασμένες μεαυξημένη φυσική και μαγνητική οπτική ενεργότητα. Μελετάται μια πρότυπη τρισδιάστατη χειρόμορφη δομή καθώς και επιφανειακές γεωμετρίες κρυστάλλων από μαγνητισμένες σφαίρες πλάσματος, που δεν έχουν συμμετρία αντιστροφής χώρου και χρόνου. Φωτονικά διαγράμματα ζωνών της χειρόμορφης δομής, σε συνδυασμό με αντίστοιχα φάσματα διέλευσης, αναλύονται υπό το πρίσμα της θεωρίας των μη σύμμορφων ομάδων χώρου, δίνοντας μια συνεπή ερμηνεία κάποιων αξιοσημείωτων χαρακτηριστικών και φαινομένων όπως σημεία Dirac, διέλευση εξαρτώμενη από την πόλωση, καθώς και διαχωρισμός ζωνών και μη αντιστρεπτή οπτική απόκριση. Υπολογίζονται διαγράμματα διασποράς των καταστάσεων Tamm στην επιφάνεια (001) ενός ημιάπειρου κρυστάλλου fcc από μαγνητισμένες σφαίρες πλάσματος καθώς και καταστάσεων κυματοδηγού ενός τετραγωνικού πλέγματος τέτοιων σφαιρών σε υπόστρωμα χαλαζία και πλασμονίων πολαριτονίων στην επιφάνεια πλασμονικού υλικού καλυμμένου με επίστρωση από σφαίρες μαγνητισμένου γρανάτη, και δείχνεται η μη αντιστρεπτή οπτική απόκριση αυτών των δομών σε γεωμετρία Voigt.