Propiedades magneto-ópticas y plasmónicas entrelazadas en multicapas magnetoplasmónicas de metal y metal-dieléctrico

Resumen

Esta tesis trata sobre multicapas magnetoplasmónicas (MP) de metal y metal-dieléctrico, las cuáles combinan metales nobles y ferromagnéticos y exhiben efectos interrelacionados entre la excitación del Plasmón-Polaritón Superficial (SPP) y su actividad magneto-óptica (MO). Además, estos sistemas MP se han usado como transductores en aplicaciones sensoras. La Plasmónica estudia cómo los campos electromagnéticos pueden ser confinados en dimensiones menores que la longitud de onda. Basándose en procesos de interacción de ondas electromagnéticas acopladas a oscilaciones resonantes del plasma electrónico localizado en intercaras metal¿dieléctrico o en nanoestructuras metálicas, dando lugar a un campo cercano óptico aumentado y de dimensiones por debajo de la longitud de onda. Los sistemas plasmónicos ofrecen la posibilidad de implementar circuitos nanofotónicos [Nature 424, 824 (2003); Nature 440, 508-511 (2006); Phys. Rev. B 68, 115401 (2003)]. Además, estas resonancias de plasmón son altamente sensibles a variaciones minúsculas de su entorno dieléctrico (índice de refracción), y este hecho ha sido explotado para el desarrollo de sensores químicos y biosensores [Sensors and Actuators B 17, 215 (1994); Nanolett. 3, 1057 (2003); Adv. Mat. 16, 1685 (2004)]. Cuándo un material plasmónico está combinado con uno MO activo, tanto las propiedades plasmónicas y MO del sistema MP resultante se entrelazan. Por ejemplo, Safarov et al. [Phys. Rev. Lett. 73, 3584-3587 (1994)] han informado que la actividad MO puede ser aumentada cuándo se excita la resonancia SPP en una tricapa Au/Co/Au. Estos estudios fueron extendidos más tarde en nuestro grupo por J. B. González-Díaz et al. [Phys. Rev. B 76, 153402 (2007)] variando el espesor de Co: el aumento observado de la actividad MO cuándo se excita el SPP se muestra que es debido a la acción combinada de la disminución intensa de la reflectividad y a un aumento en la componente magnética de la actividad MO, lo cuál en conjunto es responsable del aumento global en la respuesta MO. Además, se mostró también que el vector de onda del SPP en tricapas Au/Co/Au se puede modificar con un campo magnético externo debido a su dependencia con los elementos no diagonales del tensor dieléctrico, los cuáles son dependientes del campo magnético en estos sistemas. Incluso, el aumento de la actividad MO con la excitación del SPP ofrece la posibilidad de un sensor nuevo que usa multicapas MP. Sepúlveda et al. [Opt. lett., 31, 1085 (2006)] han desarrollado un nuevo sensor de resonancia de plasmón superficial magneto-óptico (MOSPR) que ofrece una sensibilidad más alta que el sensor de resonancia de plasmón superficial (SPR) convencional. Los estudios llevados a cabo en esta tesis, primeramente respecto a la optimización de materiales, pueden ser resumidos como sigue: 1. El uso de Ag en vez de Au como material plasmónico para mejorar el rendimiento de las multicapas MP, debido a la menor absorción óptica de Ag comparada con la de Au en la región visible. 2. Se revela el papel de la cristalinidad y la rugosidad interfacial en las propiedades ópticas y MO de estas multicapas MP: las estructuras epitaxiales con baja rugosidad interfacial producen una modulación magnética más alta del vector de onda del SPP. En este trabajo de tesis, se han usado multicapas optimizadas MP con éxito como transductoras en sensores MOSPR para detectar compuestos orgánicos volátiles (sensado de gases) y para detectar el anticuerpo de la albúmina del Suero Bovino (sensado biológico): se obtuvo una sensibilidad más alta que en sensores SPR tradicionales. Finalmente, en esta tesis se propone un diseño novedoso de cavidades metal-aislante-metal (MIM)-MP para la implementación de dispositivos plasmónicos activos. En estas estructuras la resonancia SPP es dividida en dos modos ópticos, los cuáles exhiben distribuciones de campo electromagnético diferentes y por tanto modulación magnética diferente de su vector de onda del SPP asociado.