Tesis doctoral sobre efectos ópticos no-lineales en nanomateriales para una mejor comprensión de la interacción luz-materia en la escala nanométrica

El uso de semiconductores, metales y dieléctricos ordinarios en el proceso de fabricación de nanodispositivos se encuentra al frente de la tecnología actual. En la última década se ha realizado un progreso tecnológico impresionante hacia el proceso de miniaturización, dando lugar en el campo de la nanofotónica. Actualmente, nanoestructuras son fabricadas rutinariamente e integradas en diferentes dispositivos fotónicos por diferentes propósitos y aplicaciones. A la nanoescala, la interacción de la luz con la materia puede mostrar nuevos fenómenos, generalmente negligibles por los mismos materiales con escalas micrométricas o milimétricas. Este escenario hace que las aproximaciones convencionales que explican la dinámica de las interacciones luz-materia dejen de ser válidas y se tengan que buscar nuevas estrategias para estudiar, entender y, en última instancia, aprovechar el rendimiento de materiales ópticos no lineales con dimensiones más pequeñas que la longitud de onda. Este es el caso de las interacciones no lineales y, en particular, de la conversión de frecuencia no lineal, un proceso físico fundamental que se encuentra en base a muchas disciplinas modernas, desde la bioimagen en la nanomedicina hasta la caracterización de materiales en ciencia del materiales y la nanotecnología. La fotónica no lineal también tiene futuro potencial en la física del láser con aplicaciones en tecnología de la información para el procesamiento de señales ópticas y en el desarrollo de nuevas fuentes de luz coherente. Por lo tanto, una comprensión profunda de los aspectos específicos de la interacción luz-materia en la escala nanométrica es crucial para diseñar adecuadamente nanodispositivos.

En esta tesis presentamos estudios comparativos experimentales y teóricos de la conversión de frecuencia no lineal en diferentes materiales estratégicos para la fotónica con dimensiones nanométricas. A la nanoescala, las condiciones de trabajo son diferentes a las de la óptica no lineal habitual, puesto que la condición de acoplamiento de fase e incluso la absorción ya no tienen un papel primario o significativo, y nuevas fuentes lineales y no lineales acontecen relevantes.

Empezamos nuestro estudio con nanocapas homogéneas, para proyectar más tarde nuestros resultados al diseño y estudio de nanoestructuras, capaces de localizar el campo electromagnético y, en consecuencia, mejorar las interacciones luz-materia. Hemos desarrollado nuevos montajes experimentales capaces de mesurar con precisión eficiencias de generación armónica muy bajas, provenientes de semiconductores, óxidos conductores y nanocapas y nanoestructuras metálicas. Realizamos un estudio exhaustivo de la generación armónica analizando las señales no lineales en función del ángulo incidente, longitud de onda y polarización, parámetros importantes que determinan y distinguen el origen del proceso no lineal.

Los resultados experimentales se han contrastado con predicciones teóricas basadas en un modelo hidrodinámico microscópico que considera diferentes contribuciones a la polarización no lineal, generalmente descuidadas por la mayoría de los modelos no lineales. Esta comparación experimental-numérica permite identificar y distinguir los diferentes mecanismos que desencadenan las señales armónicas generadas en el rango de longitud de onda visible y UV, mientras que se pueden extraer las propiedades físicas básicas del material. Con este conocimiento podemos dar un paso adelante y predecir la eficiencia de conversión en nanoestructuras más complejas que pueden ser diseñadas específicamente para mejorar la eficiencia de generación armónica. La capacidad de generar armónicos eficientemente a escala nanométrica tendrá un enorme impacto en los campos de la nanomedicina y la nanotecnología, puesto que permitiría realizar dispositivos