Dinámica de fonones acústicos en multicapas nanométricas
Los fonones acústicos juegan un rol esencial en las propiedades electrónicas y optoelectrónicas de los sólidos, y en particular de los semiconductores. Mediante su control coherente, lo cual constituye el tema central de esta tesis, podrían ser usados en nanoscopios basados en hipersonido, para p...
Guardado en:
| Autor principal: | |
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| Formato: | Tesis NonPeerReviewed |
| Lenguaje: | Español |
| Publicado: |
2009
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| Materias: | |
| Acceso en línea: | http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/80/1/1Lanzillotti-Kimura.pdf |
| Aporte de: |
| Sumario: | Los fonones acústicos juegan un rol esencial en las propiedades electrónicas y optoelectrónicas
de los sólidos, y en particular de los semiconductores. Mediante su control
coherente, lo cual constituye el tema central de esta tesis, podrían ser usados en nanoscopios
basados en hipersonido, para procesar información, y para controlar luz y carga en la
nanoescala y a ultra-altas frecuencias. La ingeniería de nuevos dispositivos para manipular
y controlar vibraciones acústicas en sólidos es un tema de actualidad que será crucial para
el desarrollo de aplicaciones en nanofonónica. La motivación de este trabajo consiste en
desarrollar y estudiar dispositivos capaces de controlar la dinámica de fonones acústicos
con frecuencias de GHz-THz y longitudes de onda de nanometros, que permitan evidenciar
nuevos fenómenos físicos y aplicaciones. La Tesis presenta un estudio tanto experimental
como teórico de la dinámica de fonones acústicos en multicapas especíıficamente diseñadas
a la escala nanométrica por dispersión Raman y por generación coherente de fonones
acústicos con láseres ultra-rápidos. Para el análisis y diseño de los sistemas estudiados,
desarrollamos modelos que nos permitieron calcular las respuestas ópticas y acústicas de
estructuras excitadas por pulsos láser ultracortos, y evaluar la sección eficaz Raman en las
multicapas estudiadas.
En primer lugar, estudiamos la dinámica de fonones acústicos de ultra-alta frecuencia
(rango GHz-THz) en superredes y nanocavidades. Mediante experimentos de transmisión
acústica demostramos los efectos de confinamiento tanto en el dominio frecuencial como en
el dominio temporal. Analizamos también el desempeño de las superredes y nanocavidades
como generadores y detectores de fonones acústicos coherentes orientados a la monocromaticidad.
Finalmente, introduciendo una película metálica en una nanocavidad acústica
demostramos que es posible amplificar o inhibir la generación o emisión de fonones desde
la película metálica hacia el sustrato, de forma análoga al efecto Purcell estudiado en el
contexto del electromagnetismo.
Variando los espesores de un arreglo periódico cambian sus características de reflectividad.
Basados en este principio, diseñamos, optimizamos y caracterizamos dispositivos
fonónicos aperiódicos. Utilizando el método de optimización multivariable Nelder-Mead
diseñamos filtros y espejos basados en multicapas aperiódicas. Realizamos un estudio experimental
mediante dispersión Raman de tres dispositivos de hipersonido, y comparamos
estos resultados con simulaciones realizadas utilizando un modelo fotoelástico. Fue posible
reproducir las características principales de los espectros experimentales, dando cuenta de
las potenciales aplicaciones de caracterización de muestras complejas mediante dispersión
Raman de alta resolución. Asimismo, realizamos experimentos de transmisión de hiper-
sonido utilizando técnicas de acústica de picosegundos, y validamos experimentalmente
el concepto de filtros optimizados, evidenciando también el rol del transductor metálico
utilizado y de la superficie libre en la respuesta del filtro.
Por otro lado, propusimos el uso de microcavidades ópticas en experimentos de generación
coherente de fonones acústicos con el fin de modificar la generación óptica de hipersonido,
y en particular para amplificar las señales. Usando como estructura modelo una
microcavidad óptica cuyo espaciador está formado por una nanocavidad acústica, evidenciamos
los efectos de las resonancias electrónicas, ópticas y acústicas en el dominio
espectral, mediante experimentos de dispersión Raman, y en el dominio temporal mediante
experimentos de acústica de picosegundos. Observamos una amplificación de las
señales asociada al comportamiento resonante del campo eléctrico dentro de la cavidad,
y un cambio de las reglas de selección debido al carácter estacionario del mismo dentro
del espaciador óptico. Analizamos tanto experimental como teóricamente por separado el
efecto del confinamiento en la generación y en la detección de los fonones coherentes. La
generación resulta máxima cuando se sintoniza resonantemente la energía del láser con el
modo ’optico de cavidad, mientras que la detección se maximiza sintonizando al láser con
las regiones de máxima derivada de la reflectividad óptica de la estructura. Con el fin de
lograr la máxima amplificación óptica posible, y extendiendo conceptos estudiados en el
contexto de la dispersión Raman, propusimos y demostramos la doble amplificación óptica,
que consiste en elegir apropiadamente los ángulos de incidencia de los haces pump y
probe de manera que ambos procesos, generación y detección, se encuentren en condición
de máxima amplificación para la longitud de onda de trabajo.
Finalmente realizamos un estudio teórico y experimental de las características del
acoplamiento entre dos nanocavidades acústicas, y la influencia de las distintas variables
de diseño. Demostramos una “molécula fonónicaçonstituída por dos cavidades acopladas,
y observamos el desdoblamiento de los modos confinados a través de experimentos Raman
de alta resolución. Incrementando el número de cavidades acopladas, identificamos
los parámetros relevantes de estas estructuras, estableciendo las bases de una ingeniería
de sistemas complejos basados en cavidades acústicas acopladas. Uno de los resultados
más relevantes es la demostración experimental de la existencia de oscilaciones de Bloch y
estados de Wannier-Stark de fonones acústicos en estructuras formadas por nanocavidades
acopladas. |
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