Anisotropic propagation of Surface Plasmon Polaritons: study and exploitations

Superfici metalliche con modulazione sinusoidale, note come grating plasmonici, costituiscono una delle principali strutture che permettono di ottenere l’accoppiamento tra un fascio di luce incidente e un Plasmone Polaritone di Superficie. Una varietà di fenomeni sono accessibili quando il grating viene ruotato di un angolo azimutale rispetto al piano di incidenza. Scopo di questo lavoro è uno studio approfondito delle proprietà di propagazione del modo di superficie in questa configurazione, correlando il ruolo dell’anisotropia introdotta dal grating con la posizione e forma del dip di risonanza plasmonica negli spettri in riflettanza. Vengono presentati modelli analitici e interpretazioni fisiche; metodi sia sperimentali che computazionali vengono impiegati per validare i modelli, includendo l’osservazione di nuovi effetti. I modi accoppiati di film sottile, ovvero i Plasmoni Long Range e Short Range, vengono studiati e osservati sperimentalmente nella configurazione ad azimuth ruotato. Una particolare attenzione è dedicata al ruolo delle perdite radiative del plasmone, dovute allo scattering da parte del grating. La loro dipendenza dall’ampiezza del grating e dalla direzione di propagazione del plasmone è spiegata, e correlata con la larghezza delle risonanze plasmoniche osservabili. I risultati di queste analisi conducono alla valutazione delle sensibilità e Figura di Merito che si possono ottenere quando le configurazioni considerate sono sfruttate nell’ambito della sensoristica a Risonanza Plasmonica di Superficie. I concetti e metodi sviluppati si dimostrano strumenti di valore per predire e interpretare la risposta di strutture plasmoniche reali, applicate come dispositivi di sensing verso analiti allo stato gassoso. Le piattaforme plasmoniche vengono testate come sensori per TNT, idrogeno e composti aromatici, con risultati promettenti. Un esperimento particolarmente interessante è l’uso combinato dei modi Long Range e della configurazione ad azimuth ruotato per incrementare notevolmente le performance di un sensore di xylene