Propagation of electromagnetic waves in "Fishnet" metamaterials

Recently, the fabrication and optimization of nano-hole arrays in noble metal layers have attracted much attention both because of the interesting new physics associated with them and for their potential applications in nano-optics and biosensing. In particular nano-hole arrays in metal-dielectric-metal stacks, also known as "fish-net" type structures, are nowadays the best candidates to accomplish some suggestive physical phenomena like negative refractive index. The doctoral thesis summarizes the study of the propagation of electromagnetic waves in periodic structures, namely in Fishnet metamaterials. The EM propagation enables an uncommon property: the negative refraction index. The general aim of the thesis is to study the origin of the negative refraction index and its dependence on the geometric parameters, initially dealing with the basic three-layers fishnet until studying more evolved structures such as a multilayered fishnet structure. Some methods and effective models for the extraction of the complex parameters will be initially considered in the preliminary study. However for a more rigorous investigation, a recent modal method for the analysis of bulk strongly coupled structures (i.e. multilayered fishnet) ,in which also the evanescent modes linked to the metal losses can play a crucial role , will be presented. The FEM method is based on the Elmholts's equation in weak form and it represents a powerful method for the investigation of complex modes, responsible for the negative refraction index, from a more fundamental point of view.

Recentemente la fabbricazione e l'ottimizzazione di nano aperture periodiche attraverso strati di metalli nobili ha riscosso molta attenzione sia per l'interesse verso fenomeni fisici non comuni sia per le potenziali applicazioni alla nano-ottica e alla biosensoristica. In particolare i metamateriali composti da strati metallo-dielettrici sovrapposti e perforati da aperture periodiche, conosciuti come strutture a forma di spina di pesce, sono oggi tra i migliori candidati per studiare alcuni fenomeni fisici non comuni, come la rifrazione ad angolo negativo. La tesi di dottorato riassume lo studio della propagazione delle onde elettromagnetiche in strutture periodiche, in particolare nelle "Fishnet". La propagazione di onde elettromangetiche nelle Fishent genera una proprietà non comune: l"indice di rifrazione negativo. L'obbiettivo principale della tesi è quello di studiare l'origine dell'indice di rifrazione negativo e la sua dipendenza dai parametri geometrici a partire da strutture di base come la Fishnet a tre strati fino a strutture più evolute come la Fishnet a multi strato. Dei metodi e modelli effettivi per l'estrazione dei parametri complessi saranno inizialmente considerati per lo studio preliminale. Tuttavia per un'indagine più rigorosa verrà presentato un recente metodo modale adatto all'analisi di strutture omogenee fortemente accoppiate come le Fishnet a multistrato in cui anche i modi evanescenti, legati alla dissipazione del metallo, possono giocare un ruolo cruciale. Il metodo FEM di analisi modale è basato sull'equazioni di Elmholtz in forma debole e rappresenta un potente metodo di indagine per studiare l'evoluzione dei modi complessi, alla base dell'indice effettivo di rifrazione negativo (parte reale e complessa), da un punto di vista più fondamentale.