Estudio del scattering de nanoestructuras con haces estructurados: aplicación en quiralidad óptica

Abstract

El objetivo principal de este trabajo es estudiar la interacción luz-materia entre nanoestructuras y haces ópticos estructurados, con el fin de mejorar la detección de la quiralidad en moléculas individuales o disoluciones de baja concentración. La quiralidad, característica por la cual un ente tiene simetría especular nula, es fundamental en la biomedicina, ya que condiciona la funcionalidad biológica de ciertos compuestos farmacéuticos. La distinción de enantiómeros (las dos posibles configuraciones de una molécula quiral) constituye un desafío notable, ya que en ambos casos presentan las mismas propiedades físicas, siendo únicamente la falta de simetría lo que las diferencia. Una de las maneras de llevar a cabo la separación de enantiómeros es mediante el estudio de su interacción con haces de determinada polarización. Para lograr este objetivo, se han utilizado métodos numérico-computacionales, específicamente el método FDTD (Finite-Difference Time-Domain), para simular la respuesta electromagnética de diferentes estructuras iluminadas con: haz circularmente polarizado (LCP), haz radialmente polarizado (RPB), haz azimutalmente polarizado (APB) y haz radial y azimutalmente polarizado (ARPB). Además se ha estudiado el uso de dos tipos de materiales: metálicos (oro) y dieléctricos (silicio). Los casos estudiados contemplan la interacción de dichos haces con esferas de ambos materiales y con discos de silicio de diferentes alturas. Para todas las configuraciones se ha realizado un análisis en régimen de campo cercano (mapas de campo cercano) y en régimen de campo lejano (mediante el análisis de las secciones eficaces). Además, se ha calculado la quiralidad óptica promedio para todo el rango estudiado, identificando la longitud de onda donde se maximiza y mapeando dicha magnitud a esa longitud de onda. Se ha demostrado que los materiales dieléctricos, son más eficaces en el realce de la interacción quiro-óptica debido a la presencia de resonancias magnéticas y eléctricas. Específicamente, se ha observado que la quiralidad generalmente acompaña la posición espectral de las resonancias magnéticas, concretamente al modo dipolar magnético. Esto hace que la sintonización de resonancias en discos dieléctricos mediante su altura sea una forma muy eficiente de aumentar su respuesta quiral. Los resultados más destacados incluyen la amplificación y focalización de la respuesta quiral en estructuras con haces ARPB, puesto que a diferencia de la onda plana, presenta una distribución más asimétrica de la quiralidad con respecto a la estructura, situándose en la parte exterior y posterior de la misma. Esta característica facilita el posicionamiento de la muestra a estudiar, mejorando la precisión y eficiencia del análisis, constituyendo un resultado relevante para el estudio ultrasensitivo de la quiralidad.

The primary objective of this work is to study the light-matter interaction between nanostructures and structured optical beams with the aim of improving the detection of chirality in individual molecules or low-concentration solutions. Chirality, characterized by the absence of specular symmetry, is fundamental in biomedicine, as it conditions the biological functionality of certain pharmaceutical compounds. The distinction between enantiomers (the two possible configurations of a chiral molecule) constitutes a notable challenge, as both present the same physical properties, differing only in the lack of symmetry. One way to achieve the separation of enantiomers is by studying their interaction with beams of specific polarization. To achieve this objective, numerical-computational methods have been used, specifically the Finite-Difference Time-Domain (FDTD) method, to simulate the electromagnetic response of different structures illuminated with: Circularly Polarized Beams (LCP), Radially Polarized Beams (RPB), Azimuthally Polarized Beams (APB) and Azimuthally Radially Polarized Beam (ARPB). Additionally, the use of two types of materials has been studied: metallic (gold) and dielectric (silicon). The cases studied involve the interaction of these beams with spheres of both materials and silicon disks of different heights. For all configurations, a close-field analysis (close-field maps) and a far-field analysis (through the analysis of effective sections) have been performed. Furthermore, the average optical chirality has been calculated for the entire studied range, identifying the wavelength where it is maximized and mapping this magnitude to that wavelength. It has been demonstrated that dielectric materials are more effective in enhancing the chiro-optical interaction due to the presence of magnetic and electric resonances. Specifically, it has been observed that chirality generally accompanies the spectral position of magnetic resonances, specifically the dipolar magnetic mode. This makes the tuning of resonances in dielectric disks through their height a very efficient way to increase their chiral response. The most notable results include the amplification and focusing of the chiral response in structures with ARPB beams, as they present a more asymmetric distribution of chirality with respect to the structure, located on the outside and rear of the structure. This feature facilitates the positioning of the sample to be studied, improving the precision and efficiency of the analysis, constituting a relevant result for the ultra-sensitive study of chirality.