Doctoral thesis submitted for the degree of Doctor of Philosophy in Telecommunication Engineering Postgraduate programme: Communication Technology Advanced metamaterials for high resolution focusing and invisibility cloaks Presented by: Bakhtiyar Orazbayev Director: Dr. Miguel Beruete Díaz Pamplona, November 2016 Abstract Metamaterials, the descendants of the artificial dielectrics, have unusual electromagnetic parameters and provide more abilities than naturally available dielectrics for the control of light propagation. Being able to control both permittivity and permeability, metamaterials have opened a way to obtain a double negative medium. The first experimental realization of such medium gave an enormous impulse for research in the field of electromagnetism. As result, many fascinating electromagnetic devices have been developed since then, including metamaterial lenses, beam steerers and even invisibility cloaks. The possible applications of metamaterials are not limited to these devices and can be applied in many fields, such as telecommunications, security systems, biological and chemical sensing, spectroscopy, integrated nano-optics, nanotechnology, medical imaging systems, etc. The aim of this doctoral thesis, performed at the Public University of Navarre in collaboration with the University of Texas at Austin, the Valencia Nanophotonics Technology Center in the UPV and King’s College London, is to contribute to the development of metamaterial based devices, including their fabrication and, when possible, experimental verification. The thesis is not focused on a single application or device, but instead tries to provide an extensive exploration of the different metamaterial devices. These results include the following: Three different lens designs based on a fishnet metamaterial are presented: a broadband zoned fishnet metamaterial lens, a Soret fishnet metamaterial lens and a Wood zone plate fishnet metamaterial. All lenses have been experimentally realized, demonstrating a good agreement with numerical analysis. Moreover, a metasurface, a 2D case of metamaterial, built with closed ring resonators has been used to design an ultrathin carpet cloak. Numerical as well as experimental analysis is done, confirming the cloaking performance of the designed cloak in relatively wide frequency range and angle span. Also, a design of a transformation based cloak for diffusive light is presented. It is demonstrated, that by restricting the cloak to work in one direction it is possible to obtain an ideal cloaking performance under transient illumination, which is normally beyond reach in typical cloak designs. Finally, the theoretical demonstration of three different beam steering devices based on graphene metamaterial is presented. The used graphene metamaterial allows to dynamically control the output angle of the radiation with ultrahigh speed. i ii Resumen Los metamateriales, descendientes de los dieléctricos artificiales, tienen parámetros electromagnéticos inusuales y proporcionan más posibilidades que los dieléctricos naturales para el control de la propagación de la luz. Los metamateriales han posibilitado la obtención de medios doblemente negativos, gracias a la capacidad que ofrecen para controlar tanto la permitividad y la permeabilidad. La primera realización experimental de un medio de ese tipo dio un enorme impulso a la investigación en el campo del electromagnetismo. Como resultado, se han desarrollado desde entonces muchos dispositivos electromagnéticos fascinantes, incluyendo lentes de metamateriales, dispositivos de control de dirección de haz e incluso capas de invisibilidad. Las posibles aplicaciones de los metamateriales no se limitan a estos dispositivos y se pueden aplicar en muchas áreas como las telecomunicaciones, sistemas de seguridad, detección biológica y química, la espectroscopía, nanoóptica integrada, la nanotecnología, los sistemas de imágenes médicas, etc. El objetivo de esta tesis doctoral, realizada en la Universidad Pública de Navarra en colaboración con la Universidad de Texas en Austin, el Centro de Tecnología Nanofotónica de Valencia de la UPV y el King’s College London, es contribuir al desarrollo de dispositivos basados en metamateriales, incluyendo su fabricación y, cuando sea posible, la verificación experimental. La tesis no se centra en una sola aplicación o dispositivo, sino que trata de proporcionar una extensa exploración de diferentes dispositivos de metamateriales. Los resultados de la misma son los siguientes: Se presentan tres lentes de diferentes diseños basados en un metamaterial fishnet: una lente zonada de ancha banda, una lente Soret y una lente de Wood. Todas las lentes han sido experimentalmente realizadas, demostrando un buen acuerdo con el análisis numérico. Por otra parte, se ha demostrado una capa de invisibilidad ultrafina basada en una metasuperficie, un caso 2D de metamaterial, construida con resonadores de anillo. Se ha realizado un análisis numérico, y experimental confirmando el comportamiento de invisibilidad dentro de un rango de frecuencias y de ángulos relativamente amplios. Además, se presenta un diseño de una capa de invisibilidad basada en la óptica de transformación para la luz difusa. Se demuestra, que mediante la restricción de la capa para trabajar en una sola dirección es posible obtener un rendimiento de camuflaje ideal bajo las condiciones de iluminación transitoria, que normalmente está fuera de alcance en los diseños típicos de capas de invisibilidad. Por último, se presenta la demostración teórica de tres diferentes dispositivos de control del haz basados en metamateriales de grafeno. El metamaterial de grafeno utilizado permite controlar dinámicamente el ángulo de salida de la radiación con velocidad ultra alta. iii iv Acknowledgments I would like to take this chance to extend my gratitude to all people who helped me during my study. The thesis would not be accomplished without their help. However, it is not possible to include all of them in this short acknowledgement. Hope those people I missed out in the following can accept my sincere appreciation at this moment. At first, I would like to express my gratitude to my supervisor Dr. Miguel Beruete for his excellent guidance (not just scientific). His advices and encouragement have been of vital importance during my research work. I also would like to thank and Dr. Francisco Falcone for his constant support during my study. Thanks then goes to Dr. Miguel Navarro-Cía and Dr. Irina Khromova. The valuable discussions with them, their advices, and experienced instruction helped greatly with my research work. I want to give my special thanks to Prof. Mario Sorolla, who unfortunately passed away. Without him it would have been impossible to make this work. In the Department of Electronic and Electrical Engineering, there are still more people I want to thank. I would like to thank to Prof. Andrea Alù from University of Texas, Prof. Alejandro Martínez and Dr. Carlos García-Meca from Universitat Politècnica de València, Prof. Anatoly Zayats from King’s College London for giving me the opportunity of being part of their research groups and so improving my quality as a researcher. Thanks to all people that I met in Austin and Valencia, particularly to Jason, Eun, Romain, Alba, Luis and Álvaro, for making me feel like if I never would have left home. During my study in Spain, I am lucky to have the company of my friends and colleagues: Laura, Unai, Aitziber, Daniel, Víctor, Pablo, Alicia, Amagoia, Jose, Adur and Dr. Torres. Without them, my years in Pamplona would not have been as pleasant. I acknowledge Spanish Ministerio de Economía y Competitividad for the financial support (under grant FPI BES-2012-054909) of my study at UPNA. Last, but of course not least, I thank my parents for their love and support all the time. v vi Agradecimientos Me gustaría aprovechar esta oportunidad para expresar mis agradecimientos a todas las personas que me ayudaron durante mi estudio. La tesis no se llevaría a cabo sin su ayuda. Sin embargo, no es posible incluir todos ellos en estos breves agradecimientos. Espero que las personas que se me pasó mencionar aquí puedan aceptar mi agradecimiento sincero en este momento. En primer lugar, me gustaría expresar mi agradecimiento a mi supervisor el Dr. Miguel Beruete por su excelente orientación (no sólo científica). Sus consejos y ánimo han sido de vital importancia durante mi trabajo de investigación. También me gustaría dar las gracias y el Dr. Francisco Falcone por su constante apoyo durante mi estudio. Gracias a continuación al Dr. Miguel Navarro-Cía y el Dr. Irina Khromova. Las valiosas discusiones con ellos, sus consejos, y la instrucción con experiencia ayudaron mucho con mi trabajo de investigación. Quiero dar las gracias especialmente al Prof. Mario Sorolla, que lamentablemente falleció. Sin él habría sido imposible realizar este trabajo. En el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, todavía hay más gente que quiero agradecer. Me gustaría dar las gracias al Prof. Andrea Alù de la Universidad de Texas, el Prof. Alejandro Martínez y el Dr. Carlos García-Meca desde Universidad Politécnica de Valencia, el Prof. Anatoly Zayats del King College de Londres por darme la oportunidad de ser parte de sus grupos de investigación y así mejorar la calidad de mi como investigador. Gracias a todas las personas que conocí en Austin y Valencia, sobre todo a Jason, Eun, Romain, Alba, Luis y Álvaro, por hacerme sentir como si nunca hubiera salido de casa. Durante