Στοιχεία επταμελούς επιτροπής:
Ν. Στεφάνου Καθηγητής (επιβλέπων), Ε. Συσκάκης Επικ. Καθηγ., Σ. Θάνος Ερευνητής Α΄ Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. Δημόκριτος
Περίληψη:
Στη διατριβή αυτή μελετώνται οι οπτικές ιδιότητες ανισοτροπικών νανοσύνθετων
φωτονικών υλικών, που εμπεριέχουν χειρόμορφα ή γυροτροπικά συστατικά, μέσω
ηλεκτροδυναμικών υπολογισμών ακριβείας με τη μέθοδο στρωματικής πολλαπλής
σκέδασης, την οποία επεκτείνουμε κατάλληλα σε σφαίρες από διισοτροπικό υλικό
χωρίς και με επικάλυψη, δομές ισοτροπικών σωματιδίων με αξονική συμμετρία και
οποιονδήποτε προσανατολισμό, καθώς και γυροτροπικές σφαίρες μαγνητισμένες κατά
οποιαδήποτε διεύθυνση. Παρουσιάζεται μια λεπτομερής ανάλυση των οπτικών
ιδιοκαταστάσεων και της διάδοσης φωτός σε κρυστάλλους από διισοτροπικές
σφαίρες, ομοιογενείς ή καλυμμένες με μεταλλικό φλοιό, σε απλό ισοτροπικό
περιβάλλον μέσο. Η φωτονική δομή ζωνών των κρυστάλλων αυτών, η οποία έχει
αξιοσημείωτα χαρακτηριστικά που απορρέουν από την ύπαρξη συμμετρίας αντιστροφής
χρόνου αλλά όχι χώρου, αναλύεται υπό το πρίσμα της θεωρίας ομάδων και συζητάται
σε σχέση με αντίστοιχα φάσματα διέλευσης και ανάκλασης. Διαπιστώνεται η
εμφάνιση ισχυρής κάμψης των ζωνών εκτός των σημείων Bragg με συνεπακόλουθη
αρνητική κλίση της καμπύλης διασποράς μέσα στην πρώτη ζώνη Brillouin, καθώς και
η ύπαρξη ζωνών αργών φωτονίων και χασμάτων συχνοτήτων που επάγουν διέλευση
επιλεκτική ως προς την πόλωση και αρνητική διάθλαση για μια στενή περιοχή
γωνιών πρόσπτωσης.
Μελετάται η οπτική απόκριση τρισδιάστατων σπειρόμορφων δομών μεταλλικών
νανοκυλίνδρων. Δείχνεται ότι ο συνδυασμός πλασμονικών καταστάσεων και
ελικοειδούς διάταξης των νανοκυλίνδρων προκαλεί το σχηματισμό συλλογικών
οπτικών ιδιοκαταστάσεων με συγκεκριμένο κυρίαρχο χαρακτήρα κυκλικής πόλωσης,
ευρέα χάσματα πόλωσης, και ζώνες με αρνητική ταχύτητα ομάδας που οδηγούν σε
αρνητική διάθλαση. Πολυστρωματικά πλακίδια αυτών των δομών εκδηλώνουν
γιγαντιαία φαινόμενα οπτικής ενεργότητας, σε συνδυασμό με χαμηλές απώλειες, που
διατηρούνται για κάθε γωνία πρόσπτωσης και διεύθυνση πόλωσης. Τα φαινόμενα
αυτά, τα οποία παραμένουν σταθερά αν μεταβληθεί το βήμα της ελικοειδούς
διάταξης και γίνονται πιο έντονα με την αύξηση της συγκέντρωσης των σωματιδίων,
μπορούν να ρυθμιστούν κατά βούληση σε μια ευρεία περιοχή συχνοτήτων εντός του
υπερύθρου και ορατού φάσματος επιλέγοντας κατάλληλα το μήκος των κυλίνδρων.
΄Ολα αυτά τα χαρακτηριστικά καθιστούν τις προτεινόμενες δομές εν δυνάμει
χρήσιμες σε εφαρμογές ελέγχου της πόλωσης σε μικροσκοπικές οπτοηλεκτρονικές
διατάξεις. Δείχνεται ότι ένας σχετικά αραιός φωτονικός κρύσταλλος από σφαίρες
μαγνητισμένου γρανάτη με μεγάλη διηλεκτρική σταθερά μπορεί να επάγει τεράστια
στροφή Faraday σε φως που διέρχεται από ένα πεπερασμένο πλακίδιό του. Ο
υπεύθυνος μηχανισμός ανάγεται σε κυματική διάδοση μέσω συλλογικών καταστάσεων
Bloch που είναι ισχυρά εντοπισμένες στα σωματίδια. Μια κατάλληλη επίπεδη
ατέλεια στον κρύσταλλο αυτό εμφανίζει μη αντιστρεπτές καταστάσεις
ενδοεπιφάνειας, λόγω ταυτόχρονης απουσίας συμμετρίας αντιστροφής χώρου και
χρόνου. Επιπλέον, έντονος μη αντιστρεπτός χειρομαγνητικός διχρωισμός
εκδηλώνεται σε ελικοειδείς δομές τέτοιων σφαιρών, σε περιοχές στενών ζωνών που
είναι συνυφασμένες με αυξημένη φυσική και μαγνητική οπτική ενεργότητα.
Μελετάται μια πρότυπη τρισδιάστατη χειρόμορφη δομή καθώς και επιφανειακές
γεωμετρίες κρυστάλλων από μαγνητισμένες σφαίρες πλάσματος, που δεν έχουν
συμμετρία αντιστροφής χώρου και χρόνου. Φωτονικά διαγράμματα ζωνών της
χειρόμορφης δομής, σε συνδυασμό με αντίστοιχα φάσματα διέλευσης, αναλύονται υπό
το πρίσμα της θεωρίας των μη σύμμορφων ομάδων χώρου, δίνοντας μια συνεπή
ερμηνεία κάποιων αξιοσημείωτων χαρακτηριστικών και φαινομένων όπως σημεία
Dirac, διέλευση εξαρτώμενη από την πόλωση, καθώς και διαχωρισμός ζωνών και μη
αντιστρεπτή οπτική απόκριση. Υπολογίζονται διαγράμματα διασποράς των
καταστάσεων Tamm στην επιφάνεια (001) ενός ημιάπειρου κρυστάλλου fcc από
μαγνητισμένες σφαίρες πλάσματος καθώς και καταστάσεων κυματοδηγού ενός
τετραγωνικού πλέγματος τέτοιων σφαιρών σε υπόστρωμα χαλαζία και πλασμονίων
πολαριτονίων στην επιφάνεια πλασμονικού υλικού καλυμμένου με επίστρωση από
σφαίρες μαγνητισμένου γρανάτη, και δείχνεται η μη αντιστρεπτή οπτική απόκριση
αυτών των δομών σε γεωμετρία Voigt.
Λέξεις-κλειδιά:
Φωτονικοί κρύσταλλοι, Πολλαπλή σκέδαση, Οπτική ενεργότητα, Μαγνητοφωτονικοί κρύσταλλοι, Μη αντιστρεπτότητα
