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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.59.2014.tde-05022015-172627
Document
Author
Full name
Tiago José Arruda
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Ribeirão Preto, 2014
Supervisor
Committee
Martinez, Alexandre Souto (President)
Bôas, Celso Jorge Villas
Moussa, Miled Hassan Youssef
Napolitano, Reginaldo de Jesus
Pinheiro, Felipe Arruda de Araujo
Title in Portuguese
Energia interna e espalhamento de ondas eletromagnéticas por esferas ou clilindros: ressonâncias de Fano e suas aplicações a metamateriais
Keywords in Portuguese
Densidade de energia
Meios efetivos
Metamateriais dispersivos
Ressonância de Fano
Teoria de Lorenz-Mie
Abstract in Portuguese
O espalhamento de ondas eletromagnéticas por partículas isoladas, com propriedades ópticas e formatos arbitrários, encontra aplicações nas mais diversas áreas do conhecimento. Usualmente, o espalhamento eletromagnético é investigado via grandezas auferidas na região de campo distante. Para partículas inomogêneas, no entanto, as ressonâncias nas seções de choque de espalhamento podem não corresponder a um aumento de intensidade do campo eletromagnético nas vizinhanças imediatas da partícula (região de campo próximo). Esse efeito pode ser induzido em nanopartículas dielétricas com revestimentos plasmônicos e foi recentemente explicado em termos da ressonância de Fano. Essa ressonância resulta da interferência entre um modo eletromagnético não ressonante (processo de fundo) e um modo discreto ressonante (ressonância de plásmon), produzindo um formato assimétrico de linha espectral. Para o entendimento de como os modos de superfície no campo próximo acoplam-se às ressonâncias nas seções de choque, é necessário o cálculo de funcionais dos campos eletromagnéticos internos às partículas ou em suas vizinhanças imediatas. Neste estudo, calculamos a energia eletromagnética no interior de centros espalhadores nas geometrias esférica e cilíndrica. Fazemos aqui o vínculo dos campos internos às grandezas de espalhamento no campo distante via seção de choque de absorção e conservação de energia. Aplicamos nossos resultados a metamateriais dispersivos, estudando as propriedades do espalhamento por esferas revestidas e por esferas quirais, no regime de refração negativa, e por cilindros revestidos sob incidência oblíqua de radiação. Mediante a energia interna às partículas, demonstramos novos efeitos de aumento de intensidade de campo interno fora da ressonância de espalhamento e fornecemos resultados analíticos para a análise dessas ressonâncias, tanto em espalhamento simples quanto múltiplo.
Title in English
Internal energy and electromagnetic wave scattering by spheres or cylinders: Fano resonances and their applications to metamaterials
Keywords in English
Dispersive metamaterials
Effective media
Energy density
Fano resonance
Lorenz-Mie theory
Abstract in English
Electromagnetic wave scattering by single particles with both shapes and optical properties arbitrary finds applications in several areas of knowledge. Usually, the electromagnetic scattering is investigated via measured quantities in the far-field region. However, for inhomogeneous particles, resonances in scattering cross sections may not correspond to the electromagnetic field enhancement in the vicinity of a particle (near-field). This effect can be induced in dielectric nanoparticles with plasmonic coatings, and it has recently been explained in terms of the Fano resonance. The Fano resonance results from the interference between a non-resonant electromagnetic mode (background or continuous) and a resonant discrete mode (localized plasmon resonance), leading to an asymmetric lineshape. To understand how the surface modes in the near-field are connected to the cross section resonances, functionals of the electromagnetic fields within scatterers or in their vicinity are required. In this study, we calculate the electromagnetic energy inside scatterers in both cylindrical and spherical geometries. We obtain a connection between the internal energy and the scattering quantities in the far-field via absorption cross section and energy conservation. We apply our results to dispersive metamaterials, studying scattering properties of coated and chiral spheres in the negative refraction regime, and coated cylinders under oblique incidence of radiation. By the electromagnetic energy inside particles, we demonstrate new off-resonance field enhancement effects and provide analytical tools to analyze these resonances in both single and multiple scattering regimes.
 
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TiagoArruda_Tese.pdf (4.91 Mbytes)
Publishing Date
2015-03-18
 
WARNING: The material described below relates to works resulting from this thesis or dissertation. The contents of these works are the author's responsibility.
  • ARRUDA, T. J., PINHEIRO, F. A., and MARTINEZ, A. S. Electromagnetic energy within single-resonance chiral metamaterial spheres [doi:10.1364/JOSAA.30.001205]. Journal of the Optical Society of America. A, Optics, Image Science, and Vision [online], 2013, vol. 30, p. 1205-1212.
  • ARRUDA, T. J., PINHEIRO, F. A., e MARTINEZ, A. S. Electromagnetic energy within coated spheres containing dispersive metamaterials [doi:10.1088/2040-8978/14/6/065101]. J OPTICS-UK [online], 2012, vol. 14, p. 065101.
  • ARRUDA, TIAGO J., Martinez, Alexandre S., and PINHEIRO, FELIPE A. Unconventional Fano effect and off-resonance field enhancement in plasmonic coated spheres [doi:10.1103/physreva.87.043841]. Physical Review. A [online], 2013, vol. 87, p. 043841.
  • ARRUDA, T. J., and MARTINEZ, A. S. Electromagnetic energy inside a non-dispersive coated sphere. In Second International Workshop on Fundamentals of Light-Matter Interaction, Porto de Galinhas/PE, 2011. Abstracts Booklet., 2011. Abstract. Available from: http://blogs.df.ufpe.br/~lightmatter2/programa.htm.
  • ARRUDA, T. J., and MARTINEZ, A. S. Electromagnetic field energy inside a coated sphere containing a left-handed metamaterial. In Encontro de Física 2011 - Interação da Física na América Latina, Foz do Iguaçu, 2011. Abstracts Booklet., 2011. Abstract. Available from: http://sbfisica.org.br/~fisica2011/index.php?option=com_wrapper&view=wrapper&Itemid=25.
  • ARRUDA, T. J., and MARTINEZ, A. S. Electromagnetic field energy within concentric infinite cylinders at oblique incidence containing a dispersive and lossy metamaterial. In International Conference on Statistical Physics, Larnaca, 2011. Abstracts Booklet., 2011. Abstract.
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