Simulación de campos electromagnéticos en intercaras. Plasmones, ondas de Bloch y radiación Cherenkov sintonizada

Abstract

En este trabajo, se presentan los fundamentos sobre excitaciones de ondas de superficie en intercaras metal-dieléctrico y en cristales fotónicos truncados mediante fuentes de luz o electrones rápidos, en un caso como base de sensores mediados por interacciones con campos evanescentes y en el otro como punto de partida para la emisión de radiación Cherenkov modulada. Los análisis reportados ponen de manifiesto distintas fenomenologías asociadas a la excitación de plasmones y onda de Bloch de superficie en configuración Kretschmann como fundamento de dispositivos de sensado. Así se visualizan aspectos característicos de éstas como son mapas de reflectancia o longitudes de penetración de campos evanescentes, además de justificar el diseño de una plataforma para el sensado de moléculas quirales en disolución. Por otro lado, se describe una familia reciente de dispositivos para la caracterización de partículas cargadas mediante la emisión de radiación Cherenkov modulada a través de la excitación de plasmones de superficie en estructuras multicapa. Para ello se emplea la librería WaveOptics de COMSOL Multiphysics, herramienta de cálculo numérico basada en resolución de ecuaciones fundamentales en entornos geométricos complejos mediante métodos de elementos finitos, dotada de un entorno gráfico robusto y accesible para realizar simulaciones precisas y en tiempos de cálculos reducidos. Se han puesto de manifiesto fenómenos electromagnéticos en intercaras difícilmente accesibles mediante cálculo analítico, que pueden utilizarse como punta de lanza para el diseño y fabricación de nuevas plataformas experimentales.

In this work, we present the fundamentals of surface wave excitations on metal-dielectric interfaces and truncated photonic crystals by means of light sources or fast electrons, in one case as the basis for sensors mediated by interactions with evanescent fields and in the other case as a starting point for the emission of modulated Cherenkov radiation. The reported analyses show different phenomenologies associated with the excitation of plasmons and surface Bloch waves in Kretschmann configuration as a basis for sensing devices. This shows characteristic aspects of these devices such as reflectance maps or evanescent field penetration lengths, as well as justifying the design of a platform for the sensing of chiral molecules in solution. On the other hand, a recent family of devices for the characterisation of charged particles involving the emission of Cherenkov radiation modulated through the excitation of surface plasmons in multilayer structures is described. The WaveOptics library of COMSOL Mul- tiphysics is used for this purpose. This is a numerical calculation tool based on the resolution of fundamental equations in complex geometric environments using finite element methods, equipped with a robust and accessible graphic environment for accurate simulations and reduced calculation times. Electromagnetic phenomena have been shown to occur at interfaces that are difficult to access through analytical calculation, which can be used as a spearhead for the design and manufacture of new experimental platforms.