Modelagem de efeitos plasmônicos em um metamaterial nanoestruturado para aplicação em sensoriamento óptico

Metamateriais são meios artificiais estruturados para a obtenção de propriedades físicas não prontamente encontradas na natureza. Estes meios, em geral, são organizados periodicamente com uma célula unitária que possui dimensões menores que o comprimento de onda da radiação eletromagnética incidente. Esta característica permite que estes meios possam ser tratados como materiais homogêneos e, por conseguinte, descritos em termos de parâmetros constitutivos efetivos. Este trabalho realiza a modelagem analítica e numérica de um metamaterial nanoestruturado com inclusões metálicas. É desenvolvido um formalismo fundamentado no modelo de Maxwell-Garnett para descrever o índice de refração efetivo do metamaterial levando em conta a forma geométrica das nanopartículas e a natureza dos modos locais excitados. É evidenciado que estes modos correspodem a excitações plasmônicas superfíciais. Por meio da caracterização do metamaterial no domínio óptico, é investigado o potencial de tais meios para o desenvolvimento de sensores de índice de refração mais compactos e com valores de sensibilidade superiores aos encontrados em sistemas baseados unicamente em fibras ópticas.

ABSTRACT: Metamateriais are artificial media structured to obtain physical properties not readily found in nature. In general, these media are arranged periodically with a unit cell whose dimensions are smaller than the wavelength of the incident electromagnetic radiation. This characteristic allows dealing with such materiais as homogenized media, which means describing them by effective constitutive parameters. This work performs the analytical and numerical model of a metamaterial structured with metallic inclusions. It is implemented a formalism based on the Maxwell-Garnett approach in order to describe the effective refraction index of the metamaterial accounting for the geometry of the nanoparticles and the nature of excited local field modes. It is shown that these modes correspond to surface plasmon excitations. From the characterization of the metamaterial at the optical domain, it is investigated the potential of such medium to the construction of more compact refraction index sensors, with sensitivity values higher than the ones typically found in systems based exclusively on optical fibers.