Riassunto analitico
I metamateriali sono materiali artificiali composti da unità strutturali, talvolta chiamate meta-atomi, disposte su un reticolo periodico. Le proprietà di questi materiali dipendono quindi principalmente dal modo in cui queste unità sono progettate e disposte, piuttosto che dalla mera composizione chimica. Quando la radiazione elettromagnetica interagisce con i metamateriali, questi possono esibire proprietà esotiche che non è possibile ottenere con materiali naturali. Tra i vari tipi di metamateriali che sono stati proposti, i metamateriali iperbolici (HMM) hanno guadagnato particolare attenzione perché consentono la propagazione di onde elettromagnetiche con vettori d'onda arbitrariamente grandi, che sarebbero evanescenti nei materiali ordinari. Questi modi di propagazione ad alto k, chiamati volume plasmon polaritons, consentono applicazioni avanzate come ad esempio il subwavelenght imaging, l'occultamento elettromagnetico e l'emissione termica super-planckiana. La caratteristica fondamentale dei metamateriali iperbolici è la loro estrema anisotropia ottica, in quanto si comportano come metalli in una direzione e come dielettrici nella direzione perpendicolare. Ciò implica che la loro relazione di dispersione è geometricamente descritta da una superficie aperta iperbolica e non da un ellissoide chiuso, come nel caso dei materiali ordinari. Gli HMM sono spesso realizzati con strati alternati di sistemi metallici e dielettrici composti da una varietà di materiali. Tuttavia, quando si impiegano metalli normali, gli HMM risultanti sono generalmente attivi in modo iperbolico nell'intervallo tra il visibile e l'ultravioletto, mentre gli HMM che lavorano negli infrarossi sarebbero di grande interesse tecnologico.
Esperimenti molto recenti hanno dimostrato che è possibile fabbricare HMM sintonizzabili attivi nell'infrarosso combinando strati di semiconduttori III-V: i semiconduttori intrinseci sono utilizzati come strati dielettrici, mentre i composti drogati realizzano le controparti metalliche.
L'obiettivo principale e il contributo originale di questa tesi è la prima dimostrazione teorica della possibilità di realizzare metamateriali iperbolici interamente dielettrici, basati su semiconduttori III-V. Per fare ciò, ho adottato un approccio multiscala che combina calcoli basati sulla teoria del funzionale densità per i singoli componenti e la teoria del mezzo efficace per l'omogeneizzazione della risposta ottica complessiva del metamateriale.
I risultati ottenuti sono in ottimo accordo con i risultati sperimentali e forniscono una comprensione microscopica delle proprietà ottiche di questi sistemi complessi, aprendo la strada alla progettazione di metamateriali iperbolici basati sui semiconduttori attivi nell'intervallo infrarosso dello spettro elettromagnetico.
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Abstract
Metamaterials are artificially engineered materials composed of structural unit, sometimes called meta-atoms, arranged in a periodic lattice, whose properties mainly depend on the way their building blocks are designed and arranged, rather than their chemical composition. When electromagnetic (EM) radiation interacts with metamaterials, they can exhibit exotic properties that are not possible to achieve with natural materials. Among the various types of metamaterials that have been proposed, hyperbolic metamaterials (HMMs) have gained particular attention because they allow the propagation of EM waves with arbitrarily large wavevectors, which are evanescent in ordinary materials. Such high-k modes, called volume plasmon-polaritons, enable advanced applications spanning from sub-wavelength imaging to EM cloaking, and super-Planckian thermal emission. The fundamental feature of HMMs is their extreme optical anisotropy, as they behave as metals in one direction and as dielectrics in other perpendicular direction. This implies that their dispersion relation is geometrically described by a hyperbolic open-surface and not by a closed ellipsoid, as in the case of ordinary materials. HMMs are most often realized by alternating layers of metallic and dielectric systems composed of a variety of materials. Yet, when regular metals are employed, the resulting HMMs are generally hyperbolically active in the visible-UV range, while HMMs working in the IR-to-THz EM range would be of great technological interest.
Very recent experimental reports have shown that it is possible to fabricate tunable IR-active HMMs by combining layers of III-V semiconductors: intrinsic semiconductors are used as dielectric layers, while doped compounds realize the metallic counterparts.
The principal aim and original contribution of this thesis is the first theoretical demonstration of the possibility to realize all-dielectric HMMs, based on III-V semiconductors. To achieve this goal, I adopted a multiscale/multiphysics approach that combines Density-Functional Theory calculations of the single components, and the Effective Medium Theory for the homogenization of the optical response of the overall HMM superlattice.
The obtained results are in excellent agreement with the experimental findings and provide a microscopic understanding of the optical properties of these complex systems, paving the way to the engineering of semiconductor-based HMMs active in the infrared range of the EM spectrum.
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