Light Tunneling, Topological Effects and Light‐Matter Interactions in Wire Metamaterials

Abstract

The electromagnetic properties of naturally occurring materials do not always provide enough flexibility to obtain a desired electromagnetic response. The development of metamaterials has surpassed this limitation and opened the door to independently control and access new and exotic electromagnetic properties and functionalities, not directly available in Nature, relying on subwavelength artificial “atoms”. The idea of expanding the properties-spectrum of natural materials crafting artificial matter versions was put forward by V. G. Veselago in 1967, and since then the research field of “metamaterials” has dramatically evolved. New materials have emerged from this research field exhibiting extraordinary optical properties, such as negative refraction and optical magnetism. They are being exploited for a broad range of applications, spanning telecommunications, sensing and biomedicine, photovoltaics and solar cells, amongst others, over different frequency domains. Among the variety of media belonging to the class of metamaterials, a subclass has attracted significant attention due to its unique potentials in the manipulation of electromagnetic fields: “wire metamaterials”. In their simplest version, such materials are formed by optically dense arrays of aligned metal rods embedded into a dielectric host matrix. Through a combination of analytical modeling and numerical simulation, the main objective of this thesis is to investigate novel wave phenomena in wire metamaterial based platforms, as well as their prospective applications. The thesis focuses on four different problems/effects: (i) the subwavelength imaging and near-field transport by a multi-wire endoscope; it is shown that a wire medium endoscope can be quite robust to the effect of bending and allow for the near field transport with a deeply subwavelength resolution provided the total length of the bent wires satisfies the Fabry-Pérot condition. (ii) It describes a novel counterintuitive phenomenon of an anomalous light tunneling by two interlaced wire meshes; this effect is due to the destructive interference of the scattering by the two interlaced 3D wire meshes, which leads to a Fano-type resonance. (iii) It unveils a transparency effect with a topological origin; a mixture of two topologically distinct material phases, for example a metamaterial formed by metallic wire grid embedded in a magnetized plasma, may be “transparent” to electromagnetic waves in a spectral range wherein the individual material phases are strongly reflecting. (iv) It reports a mechanism to have exotic optical manipulations and lateral (recoil) forces on small particles placed nearby a reciprocal translation invariant substrate. The problems analyzed here can have applications in medical imaging, angular filtering and sensing, and in optical sorting and particle delivery.

As propriedades eletromagnéticas dos materiais existentes na natureza nem sempre oferecem a flexibilidade suficiente para se obter uma resposta electromagnética desejada. O desenvolvimento dos metamateriais superou essa limitação e abriu a porta a novas e por vezes exóticas propriedades electromagnéticas, não diretamente disponíveis na Natureza. A ideia de expandir o espectro das propriedades de materiais naturais criando versões artificiais foi proposta por V. G. Veselago em 1967, e desde então o campo de investigação dos “metamateriais” evoluiu drasticamente. Novos materiais emergiram deste campo de pesquisa exibindo propriedades ópticas extraordinárias, como refracção negativa e magnetismo óptico. Estes materiais têm sido explorados para uma vasta gama de aplicações, abrangendo, entre outras, telecomunicações, sensores e biomedicina, células solares e fotovoltaicas, em diferentes domínios de frequência. Entre a variedade de estruturas pertencentes à classe dos metamateriais, uma subclasse tem atraído atenção significativa devido ao seu potencial único na manipulação de campos electromagnéticos: os metamateriais de fios metálicos (wire metamaterials). Na sua versão mais simples, tais materiais são formados por um agregado opticamente denso de fios metálicos alinhados embedidos num material dieléctrico. Através de uma combinação de modelagem analítica e simulação numérica, o objetivo principal desta tese é investigar novos fenómenos ondulatórios em plataformas baseadas em wire metamaterials, bem como suas potenciais aplicações. A tese tem como foco quatro problemas/efeitos diferentes: (i) “imaging” sub-λ (λ representa o comprimento de onda) e o transporte de campo próximo por um endoscópio formado por um agregado de fios metálicos; é mostrado que um endoscópio formado por um “wire medium” pode ser bastante robusto a flexões e permite o transporte de campo próximo com uma resolução profundamente sub-comprimento de onda, desde que o comprimento total dos fios dobrados satisfaça a condição de Fabry-Pérot. (ii) Descreve um novo fenómeno contra-intuitivo de tunelamento anómalo da luz por duas redes de fios metálicos entrelaçadas; este efeito é devido à interferência destrutiva da difusão da luz pelas duas redes de fios 3D entrelaçadas, que conduz a uma ressonância do tipo Fano. (iii) Revela um efeito de transparência com uma origem topológica; uma mistura de duas fases topologicamente distintas, por exemplo, um metamaterial formado por um grelhas metálicas embedidas num plasma magnetizado, pode ser “transparente” à propagação de ondas electromagnéticas numa gama espectral onde as fases individuais do material são fortemente reflectoras. (iv) Relata um mecanismo para ter manipulações ópticas exóticas e forças laterais em pequenas partículas colocadas na proximidade de um substrato recíproco invariante para translações. Os problemas analisados na tese têm potenciais aplicações em imagiologia médica, em sensores, e na separação/entrega óptica de partículas.