Estudo sobre a eletrodinâmica de isolantes topológicos e metamateriais

Abstract

Nesta tese são apresentados estudos teóricos acerca da eletrodinâmica de isolantes topológicos (ITs) e metamateriais (MTMs). São investigadas as principais propriedades de ondas eletromagnéticas (EMs) confinadas unidimensionalmente por um guia de onda do tipo slab, cujas paredes são ITs tridimensionais (ITs-3D). Os resultados mostram que, nesse ambiente, a radiação ́e sujeita à uma frequência de corte com estabilidade topológica, que por sua vez ́e relacionada com o comprimento de penetração dos estados metálicos no bulk do material. Tal frequência pode ser interpretada como um limiar de influência da fase ITa sobre as ondas EMs propagantes no sistema. Na parte referente à MTMs, foi estudada a dinâmica de plasmons polaritons superficiais (PPSs) em uma metasuperfície (MTS) que exibe o efeito Hall de spin fotˆonico (EHSF). Foi proposto um modelo que aproxima a MTS de um meio efetivo, do qual obteve-se a relação de dispersão e grandezas relacionadas ao confinamento longitudinal e transversal dos modos de PPSs. Utilizando a abordagem proposta para a MTS, foram calculadas as quantidades associadas ao EHSF fundamentando-se nas recentes verificações experimentais do referido efeito. Em seguida, a sinergia entre características fotônicas e plasmônicas foi explorada investigando-se a excitação de PPSs através do EHSF induzido pela MTS.In this thesis, it is presented theoretical studies about topological insulators (TIs) and metamaterials (MTMs). We investigate the main properties of electromagnetic (EM) waves unidimensionally confined by a slab type waveguide, whose walls are tridimensional TIs (3D-TIs). The results show that, in this environment, radiation is subjected to a cutoff frequency with topological stability, which is related to the penetration depth of metallic states in the material bulk. Such frequency may be interpreted as a threshold of influence of the TI phase over the propagating EM waves in the system. As for the MTMs, was studied the dynamics of surface plasmons polaritons (SPPs) in a metasurface (MTS), which shows the photonic spin Hall effect (PSHE). A model was proposed to approach the MTS as an effective medium, of which we have obtained the relation of dispersion and quantities related to the longitudinal and transversal confinement of the SPPs modes. Using this approximation, were calculated the quantities associated to the PSHE, basing on the recent experimental verifications of the aforementioned effect. Then, the synergy between photonic and plasmonic characteristics was explored by investigating SPPs excitations through the PSHE induced by the MTS.