Plasmons Polaritons Superficiais e o
6.2 Algumas T´ ecnicas de Excita¸ c˜ ao de Plasmons Po laritons Superficiais
Para que ocorra correspondˆencia de fase entre a radia¸c˜ao e PPSs, v´arias t´ecnicas OEs s˜ao empregadas com o objetivo de se obter a propaga¸c˜ao e detec¸c˜ao desses modos. As t´ecnicas mais utilizadas s˜ao: mecanismos de acoplamento de prisma, acoplamento de grade (AG), excita¸c˜ao via feixes ´opticos altamente focados (EFAF) [39,101,104]. As duas principais t´ecnicas de acoplamento de prisma, as chamadas configura¸c˜oes de Kreschmann (CK) e de Otto (CO) s˜ao ilustradas na figura 6.5. A CK e a CO contornam a condi¸c˜ao k0
x < kpps para a proje¸c˜ao do vetor de onda incidente na interface de propaga¸c˜ao, k0x =
ksenθ, onde θ ´e o ˆangulo de incidˆencia da radia¸c˜ao. O feixe de luz proveniente do prisma (geralmente feito de vidro) possui momento no plano dado por: k0
x = k√ǫpsenθ, onde ǫp
6. Plasmons Polaritons Superficiais e o Efeito de Spin Hall Fotˆonico em Metamateriais
Figura 6.5: Mecanismos de acoplamento de prisma. (a) e (b) s˜ao configura¸c˜oes de Kreschmann e (c) ´e a configura¸c˜ao de Otto. (Fonte: [101].)
condi¸c˜ao de correspondˆencia de fase (CCF), kpps= kx0, seja satisfeita [101, 106, 107].
Ambos os mecanismos da figura 6.5, utilizam a reflex˜ao total atenuada (RTA) para excita¸c˜ao de PPSs. Na figura 6.5 (a) ´e representada uma CK, onde um filme fino de metal (FFM) ´e depositado sobre o prisma e quando θ ´e maior do que o ˆangulo cr´ıtico (θC) ocorre
RTA. Com isso, os campos evanescentes fora prisma, para alguns valores de espessura do FFM tunelam e excitam PPSs na interface ar/metal. A figura 6.5 (b) tamb´em ´e uma CK, por´em, uma lˆamina diel´etrica com ǫd < ǫp ´e deposita entre o prisma e o FFM, de forma
que tamb´em ocorra uma indu¸c˜ao ressonante na interface interna.
A figura 6.5 (c) ilustra uma CO, onde h´a um gap de ar entre o prisma e o metal. Nessa configura¸c˜ao, a CCF ´e alcan¸cada por RTA atrav´es do tunelamento dos campos EMs atenuados no gap de ar entre o prisma e o metal. A CO ´e preferencialmente utilizada quando n˜ao ´e desej´avel o contato direto entre o prisma e o FFM, mas possui a desvantagem de na pr´atica ser dif´ıcil manter est´avel o gap entre ar e metal.
A t´ecnica AG utiliza a difra¸c˜ao da luz em estruturas peri´odicas para que a CCF seja atendida. Essas estruturas podem ser arranjos com geometrias diversas de rugosidades (grooves) ou defeitos topol´ogicos (buracos) em superf´ıcies met´alicas [108,109]. A figura 6.6 ilustra uma grade unidimensional de ranhuras em um FFM, que por sua vez comp˜oe uma interface com um diel´etrico qualquer. A estrutura possui um espa¸camento de rede a. Ao incidir no arranjo, o vetor de onda da luz no plano ´e superposto ao vetor de onda difratado, resultando em: kx = ksenθ ± 2mπ/a, onde 2π/a ´e o vetor da rede rec´ıproca [17, 85] e
m = ±1, ±2, ... ´e a ordem da difra¸c˜ao. Por meio de ajustes estruturais no sistema, a CCF pode ser satisfeita e modos de PPSs podem ser excitados no arranjo. Se a estrutura for
6. Plasmons Polaritons Superficiais e o Efeito de Spin Hall Fotˆonico em Metamateriais
Figura 6.6: CCF atrav´es da t´ecnica AG para uma estrutura unidimensional de grooves com espa¸camento de rede a. (Fonte: [39].)
composta de ondula¸c˜oes n˜ao-peri´odicas, a CCF tem a forma geral: kpps= ksenθ±∆k, onde
∆k ´e o incremento no momento devido ao espalhamento por algum elemento superficial. Al´em de se propagarem na superf´ıcie rugosa, PPSs podem ser espalhados pelos grooves na superf´ıcie met´alica podendo se acoplarem ao cone de luz e deca´ırem em f´otons [110].
Na figura 6.7 (a) ´e mostrada uma imagem obtida por microscopia eletrˆonica de varredura (MEV) [111] em um arranjo peri´odico de buracos em um filme fino de Au suportado por um substrato de vidro. A figura 6.7 (b) exibe o espectro de transmiss˜ao da radia¸c˜ao. Os picos correspondem `a intera¸c˜ao entre a radia¸c˜ao incidente (laser) e os modos de PPSs, como mostrado nas figuras 6.8 (a) e (b).
A EFAF ´e an´aloga `as t´ecnicas de acoplamento de prisma, no sentido de que o feixe de luz usado para gerar PPSs, tamb´em passa por um diel´etrico antes de incidir sobre a interface de propaga¸c˜ao por meio de RTA. Na EFAF, um microsc´opio de alta abertura num´erica, com a objetiva imersa em ´oleo e em contato com o substrato diel´etrico, foca o feixe EM com grande espalhamento angular de maneira que θ > θC [112]. Dessa forma,
v´arios ˆangulos que atendem a CCF s˜ao obtidos.
A figura 6.9 ilustra um aparato experimental da t´ecnica de EFAF e o mapa de intensidade dos campos EMs dos PPSs. Em 6.9 (a) s˜ao representados feixes Gaussianos1
1Feixes Gaussianos s˜ao pacotes de onda colimados com momentos (~k) em torno de um valor central
(~kc). Mais detalhes s˜ao descritos na Se¸c˜ao 3.3, onde feixes Gaussianos foram utilizados na obten¸c˜ao do
6. Plasmons Polaritons Superficiais e o Efeito de Spin Hall Fotˆonico em Metamateriais
Figura 6.7: (a) Arranjo de buracos em um filme fino de Au em um substrato de vidro. A estrutura menor `a direita ´e usada como ”arranjo-fonte”, lan¸cando PPSs que se propagam na estrutura maior `a esquerda. (b) Espectro de transmiss˜ao. Os m´aximos correspondem aos modos induzidos. (Fonte: [110].)
altamente focados na faixa do vis´ıvel, polarizados na horizontal e provenientes da objetiva imersa em ´oleo. O feixe incide em θ > θC sobre o substrato de vidro que constitui uma
interface com o filme de Ag.
Na EFAF, os PPSs s˜ao induzidos em um ´area localizada em torno do foco da lente, com o ˆangulo de espalhamento delimitando a esfera de referˆencia. Como os PPSs s˜ao excitados em v´arias dire¸c˜oes em torno de uma pequena ´area, ocorre a forma¸c˜ao dominante de um padr˜ao de onda estacion´ario de PPSs. Uma sonda posicionada acima da interface Ag/ar faz uma varredura lateral coletando imagens dos PPSs e um mapa de intensidade dos campos EMs ´e gerado, como mostrado na figura 6.9 (b). O mapa de intensidade da figura 6.9 (c) ´e de uma interface vidro/ar utilizada para fins de compara¸c˜ao.