Fuerzas fotoinducidas : desde la propagación de hipersonido a la detección del magnetismo óptico

• Autores: Poblet, Martín
• Año de publicación: 2020
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Bragas, Andrea Verónica
• Materia: FUERZAS FOTOINDUCIDAS; HIPERSONIDO; FONONES; MAGNETISMO OPTICO; NANOANTENAS PLASMONICAS Y SEMICONDUCTORAS; PHOTOINDUCED FORCES; HYPERSOUND; PHONONS; OPTICAL MAGNETISM; PLASMONIC AND SEMICONDUCTOR NANOANTENNAS
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

Las fuerzas ópticas han tenido en los últimos tiempos gran relevancia en una amplia variedad de fenómenos físicos fundamentales y realizaciones experimentales como ser las pinzas ópticas, el atrapamiento de iones y la impresión láser de nanopartículas, y también han sido del foco de investigación en interacciones fundamentales entre la luz y la materia como es el caso de las fuerzas de Casimir y Van der Waals. En esta tesis vamos a abordar el estudio de dos fenómenos novedosos que están mediados por fuerzas fotoinducidas: la generación y propagación de hipersonido y una manifestación del magnetismo óptico. Para poner de manifiesto estos fenómenos, nuestros objetos de estudio son las antenas ópticas o nanoantenas, que tienen un papel preponderante hoy en día en desarrollos tan variados como ser la detección ultrasensible de moléculas, química plasmónica, óptica plana, metasuperficies y nanofotónica no lineal, entre otros. Para la generación y detección de hipersonido hemos utilizado antenas plasmónicas, que son excitadas por pulsos de luz ultra-cortos, que inducen un campo oscilatorio de fonones coherentes forzados por una fuerza optoelectrónica que tiene componentes impulsivas y displacivas. Parte de la energía de las oscilaciones de las nanoantenas en sus modos normales, se libera hacia el sustrato produciendo la propagación de sonido en los GHz, o sea de hipersonido. Hemos estudiado esta propagación, la naturaleza de la onda producida, distintas formas de detección de la onda y hemos hecho ingeniería de nanoantenas para direccionar el sonido. Para poner de manifiesto el esquivo fenómeno del magnetismo óptico, hemos usado antenas dieléctricas que, al ser capaces de confinar la luz debido a oscilaciones de electrones de ligadura, pueden sostener campos magnéticos en su seno a frecuencias ópticas, a diferencia de las antenas plasmónicas, en las cuales estos campos magnéticos generalmente desvanecen. Utilizando un microscopio combinado confocal-fuerza atómica con modos de operación ad hoc desarrollados en el laboratorio, somos capaces de medir la fuerza ejercida por los modos magnéticos alojados en nanoantenas dieléctricas de distintos tamaños.
Optical forces have had in recent times great relevance in a wide variety of fundamental physical phenomena and experimental realizations such as optical tweezers, ion trapping and laser printing of nanoparticles, and have also been the focus of research in fundamental interactions between light and matter as is the case of the forces of Casimir and Van der Waals. In this thesis we will address the study of two novel phenomena that are mediated by photoinduced forces: the generation and propagation of hypersound and a manifestation of optical magnetism. To highlight these phenomena, our objects of study are optical antennas or nanoantennas, which have a preponderant role today in developments as varied as being ultrasensitive detection of molecules, plasmonic chemistry, flat optics, metasurfaces and nonlinear nanophotonics, among others. For the generation and detection of hypersound we have used plasmonic antennas, which are excited by ultra-short pulses of light, which induce an oscillating field of coherent phonons forced by an optoelectronic force that has impulsive and displacement components. Part of the energy of the oscillations of the nanoantennas in their normal modes, is released towards the substrate producing the propagation of sound in the GHz, that is to say of hypersound. We have studied this propagation, the nature of the wave produced, different forms of wave detection and we have made nanoantennas engineering to direct the sound. To highlight the elusive phenomenon of optical magnetism, we have used dielectric antennas that, being able to confine light due to oscillations of ligation electrons, can hold magnetic fields in their sine at optical frequencies unlike plasmonic nas, in which these magnetic fields generally fade. Using a combined confocal-atomic force microscope with modes of operation ad hoc developed in the laboratory, we are able to measure the force exerted by the magnetic modes housed in dielectric nanoantennas of different sizes.
Fil: Poblet, Martín. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.