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Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.3.2021.tde-17012022-154743
Documento
Autor
Nome completo
Hipolito Alan Arredondo Champi
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2021
Orientador
Banca examinadora
Salcedo, Walter Jaimes (Presidente)
Cornejo, Daniel Reinaldo
Raimundo, Daniel Scodeler
Rosso, Tommaso Del
Salles, Luciana Pedrosa
Título em português
Pinças nano-ópticas e síntese enantiosseletiva com meta-estruturas.
Palavras-chave em português
Dispositivos ópticos
Fotônica
Materiais nanoestruturados
Microeletrônica
Óptica
Resumo em português
A pesquisa em plasmônica quiral e metamateriais ópticos recentemente expandiram os limites do projeto de Pinças NanoÓpticas (PNOs). PNOs plasmônicas de alta eficiência que aprisionam moléculas e nanopartículas agora são capazes de distinguir nanoparículas quirais devido à introdução de Campos Eletromagnéticos Quirais (CEQs). Os sistemas plasmônicos e metamateriais com quiralidade intínseca, em geral, podem fornecer elevados fatores de quiralidade óptica, além de um forte confinamento de luz quiral. No entanto, não está claro quais são os limites de operação desses dispositivos em relação ao tamanho e parâmetro de quiralidade da nanopartícula capturada. Nesse sentido, na presente tese de doutorado, por meio de simulações eletromagnéticas e cálculos semi analíticos, foram propostos e projetados três sistemas nanoestruturados que abordam as limitações plasmônicas de operação mencionadas anteriormente. Primeiro, foi proposto uma PNO multirressonante baseada em nanoaberturas plasmônicas coaxiais com simetria elíptica para aprisionar pequenas partículas de Au e Si de até 1 e 1,5 nm de raio, respectivamente, e proteínas de até 3 nm de raio usando apenas o modo de ressonância plasmônica dipolar. Essas condições foram atingidas quando o campo elétrico incidente é paralelo ao semieixo maior da nanoabertura elíptica com excentricidade de 0,93. Os modos de ressonância quadrupolar e sextupolar também conseguem capturar eficientemente nanopartículas e proteínas com raios maiores que 1,5 e 3 nm de raio, respectiva mente. Segundo, foi proposto uma PNO enantiosseletiva para macromoléculas quirais de 5 nm de raio e parâmetro de quiralidade de até ±0, 005. Para este caso foi utilizado uma nanoabertura plasmônica assimétrica excitada com luz circularmente polarizada. A enantioseparação óptica destas macromoléculas esféricas com pequenos parâmetros de quiralidade só foi possível graças à introdução de CEQs não enantiomórficos gerados nas pontas da nanoabertura assimétrica. Finalmente, inspirado pelos CEQs, foi desenvolvido um método semianalítico geral para encontrar a matriz de espalhamento T para meta estruturas esféricas multicamadas com o objetivo de gerar, manipular e intensificar estes CEQs.
Título em inglês
Nano-optical tweezers and enantioselective synthesis with meta-structures.
Palavras-chave em inglês
Chirality
Enantioselectivity
Meta-structure
Optical tweezer
Resumo em inglês
Research on chiral plasmonics and optical metamaterials has recently expanded the limits of the nano-optical tweezers (NOTs). High-efficiency plasmonic NOTs that trap molecules and nanonoparticles are now able to select chiral nanoparticles due to the introduction of chiral electromagnetic fields (CEFs). Plasmonic and metamaterials systems with intrinsic chirality, in general, can provide enhanced optical chirality factors, in addition to strong chiral light confinement. However, it is not clear what the operating limits of these devices are in relation to the size and chirality parameter of the trapped nanoparticle. In this sense, in this doctoral thesis, through electromagnetic simulations and semi-analytical calculations, three nanostructured systems were proposed and designed that address the plasmonic operating limitations mentioned above. First, a multi-resonant PNO based on coaxial plasmonic nanoapertures with elliptic symmetry was proposed to trap small Au and Si particles up to 1 and 1.5 in radius, respectively, and proteins up to 3 nm in radius using only the dipolar resonance mode. These conditions were reached when the incident electric field is parallel to the semi-major axis of the elliptical nanoaperture with an eccentricity of 0.93. Quadrupolar and sextupolar resonance modes also manage to efficiently capture nanoparticles and proteins with radii greater than 1.5 and 3 nm in radius, respectively. Second, an enantioselective PNO was proposed for chiral macromolecules with a radius of 5 nm and a chirality parameter of up to ±0.005. For this case, an asymmetric plasmonic nanoaperture excites with circularly polarized light was used. Optical enantioseparation of these spherical macromolecules with small chirality parameters was only possible thanks to the introduction of non-enantiomorphic CEQs generated at the tips of the asymmetric nanoaperture. Finally, inspired by the CEQs, it was developed a general semi-analytic method to find the T scattering matrix for multilayer spherical meta-structures in order to generate, manipulate and intensify these CEQs.
 
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Data de Publicação
2022-01-17
 
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