Design of anisotropic nanostructures for light control

El rápido avance en métodos de micro- y nanofabricación, tanto teórica como experimentalmente, han hecho posible a día de hoy que podamos controlar el flujo de luz con una precisión sin precedentes. Los metamateriales y las metasuperficies son nanoestructuras compuestas a partir de celdas unidad dise˜nadas, de forma que permitan manipular la luz con una respuesta estipulada. Como resultado de esto, los metamateriales han proporcinoado un gran número de posibles aplicaciones nuevas que antes eran inconcebibles. En esta Tesis Doctoral nos hemos centrado en el uso de estos metamateriales excepcionales para conseguir, específicamente, partículas indetectables y también para controlar el modelado de haces de luz. El objetivo principal de esta Tesis es proponer nuevas estructuras fotónicas basadas en metamateriales multicapa metal-dieléctricos que, gracias a su alta anisotropía de forma, son capaces de generar distribuciones de luz altamente localizadas, así como respuestas ópticamente inertes en el campo lejano. Hemos analizado el mecanismo para conseguir la cancelación de la dispersión en nanopartículas con simetría cilíndrica. Es posible ajustar con gran precisión la cancelación de la dispersión a diferentes longitudes de onda para conseguir invisibilidad si tenemos un control preciso tanto de la morfología como de la combinación apropiada de los materiales. Por otro lado, teniendo un dise˜no adecuado de metarrecubrimientos de tama˜no alrededor del nanómetro, podemos conseguir una fuerte focalización de ondas electromagnéticas con gran apertura numérica. Además, dado un campo convergente estos metarrecubrimientos pueden aumentar de forma significativa la apertura numérica. Es más, usando las metasuperficies dise˜nadas se puede moldear el haz para transformar ondas convergentes de gran angular en haces acelerados que presevan su forma. El trabajo que hemos llevado a cabo no se limita exclusivamente a desarrollos basados en fundamentos teóricos y simulaciones numéricas, sino que también nos involucramos en tareas experimentales. Siguiendo esta dirección, estudiamos las ondas de superficie de Dyakonov (DSWs), que se pueden encontrar en la interfase entre un medio birrefringente y otro isótropo. La excitación ocurre en el campo cercano bajo fotoluminiscencia, y la prueba de la existencia de las DSWs se basa en la determinación experimental de su constante de propagación compleja, cuya parte imaginaria es significativamente menor que la encontrada tanto en modos guiados como en leaky modes.The rapid theoretical and experimental advances in micro- and nanofabrication methods has currently made possible the governing of light flow with unprecedented control. Metamaterials and metasurfaces are engineered nanostructures composed by designed building blocks with the ability to manipulate light under a prescribed response. As a result, metamaterials provide a high number of novel potential applications which were previously inconceivable. This Ph.D. Thesis explores on some uses of these exceptional metamaterials, specifically to achieve optical undetectability and controlled beamshaping. The main objective of this Thesis is the proposal of new photonic structures based on metal-dielectric multilayered metamaterials, which due to their high form anisotropy are capable of generating highly localized light distributions, as well as optically inert responses in the far field. The mechanism of scattering cancellation is thoroughly analyzed in nanoparticles of cylindrical symmetry. With an accurate control of a multilayered morphology and a proper combination of materials, it is possible to fine-tune the scattering cancellation at different wavelengths to achieve invisibility. Secondly, an adequate design of a nonplanar metacoating in the nanoscale gives us the ability of achieving tight focusing of high numerical-aperture electromagnetic waves. Moreover, the use of the engineered metasurfaces may execute a beam shaping to transform wide-angle converging waves into shape-preserving accelerating beams. The work developed here is not limited exclusively to developments based on theoretical foundations and numerical simulations, but also an attempt to immerse into the experimental labor. In this direction we studied the Dyakonov surface waves (DSWs), which can be found at the interface between a birefringent medium and another isotropic medium. The excitation occurs in the near field under photoluminescence, and the evidence of the existence of the DSWs is based on the experimental determination of its complex propagation constant, whose imaginary part is significantly smaller compared to that found in the guided and leaky modes in the surrounding media