Extreme light scattering phenomena from dielectric and magnetized particles

Abstract

Nanophotonic structures enable the manipulation of electromagnetic waves with a level of precision that is essential for modern photonics, meta-optics, and optical information technologies. Achieving advanced control over light–matter interactions requires not only the ability to shape the spatial and angular distribution of scattered fields, but also to engineer their temporal evolution and modal content. Despite significant progress, key theoretical limitations persist in understanding how complex temporal excitations interact with resonant structures, how anisotropy can be leveraged for tunable directional scattering without physical gain, and how multipolar responses in two-dimensional (2-D) anisotropic systems can be characterized in a rigorous and general manner. This dissertation addresses these challenges through three complementary theoretical frameworks. First, it develops an exact analytical theory for the time-domain scattering of complex-frequency excitations by dielectric plates. This framework clarifies the physical mechanisms underlying coherent virtual absorption and shows how energy can be confined and subsequently released in controlled temporal packets, offering new insights into transient scattering phenomena. Second, it introduces a mechanism of anisotropic virtual gain, demonstrating that passive anisotropic media can emulate the behavior of active materials when driven by appropriately designed complex-frequency excitations. This approach enables substantial control over both the magnitude and angular direction of scattered radiation, including the emergence of an oblique Kerker effect that allows steering at nonstandard angles without modifying the medium itself. Third, the dissertation presents a general full-wave multipole decomposition theory for 2-D inhomogeneous, anisotropic, and gyrotropic structures of arbitrary geometry. This framework enables rigorous modal analysis compatible with general-purpose electromagnetic solvers and is validated across analytical, semi-analytical, and numerical methods. Its applicability is demonstrated through representative photonic systems where directional scattering plays a central role. Together, these developments deepen the theoretical foundations of temporal, angular, and modal control in nanophotonics and provide versatile tools for the design and interpretation of complex scattering phenomena.

Οι νανοφωτονικές δομές επιτρέπουν τον εξαιρετικά ακριβή χειρισμό της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, ο οποίος είναι απαραίτητος για τη σύγχρονη φωτονική, τη μετα-οπτική και τις τεχνολογίες οπτικής πληροφορίας. Η προηγμένη διαμόρφωση των αλληλεπιδράσεων φωτός–ύλης απαιτεί όχι μόνο έλεγχο της χωρικής και γωνιακής κατανομής του σκεδαζόμενου πεδίου, αλλά και την προσεκτική διαχείριση της χρονικής του εξέλιξης και της πολυπολικής (multipolar) δομής του. Παρά την πρόοδο των τελευταίων ετών, εξακολουθούν να υφίστανται σημαντικές θεωρητικές ελλείψεις σχετικά με τη δυναμική των μιγαδικών χρονικών διεγέρσεων σε δομές συντονισμού, τη δυνατότητα αξιοποίησης της ανισοτροπίας για ενεργό γωνιακό έλεγχο χωρίς την παρουσία πραγματικού κέρδους, καθώς και την αυστηρή περιγραφή των πολυπολικών όρων σε δισδιάστατα (2-Δ) ανισοτροπικά συστήματα. Η παρούσα διατριβή αντιμετωπίζει αυτές τις προκλήσεις μέσα από τρία συμπληρωματικά θεωρητικά πλαίσια. Αρχικά, αναπτύσσεται μια ακριβής αναλυτική θεωρία για τη χρονική σκέδαση διεγέρσεων μιγαδικής συχνότητας από διηλεκτρικά πλακίδια η οποία διασαφηνίζει τους φυσικούς μηχανισμούς που διέπουν την εικονική απορρόφηση. Επίσης, δείχνει ότι η ενέργεια μπορεί να παγιδεύεται και να απελευθερώνεται σε διακριτά χρονικά πακέτα, προσφέροντας βαθύτερη κατανόηση της σκέδασης στο πεδίο του χρόνου. Εν συνεχεία, εισάγεται ένας μηχανισμός ανισοτροπικού εικονικού κέρδους, αποδεικνύοντας ότι παθητικά ανισοτροπικά μέσα μπορούν να μιμηθούν τη συμπεριφορά ενεργών υλικών όταν διεγείρονται με κατάλληλα σχεδιασμένες πηγές μιγαδικής συχνότητας. Η προσέγγιση αυτή επιτρέπει σημαντικό έλεγχο τόσο της έντασης όσο και της γωνιακής κατεύθυνσης της σκέδασης, συμπεριλαμβανομένης της εμφάνισης ενός πλαγίου φαινομένου Kerker, το οποίο επιτρέπει κατευθυντική εκτροπή χωρίς τροποποίηση του ίδιου του μέσου. Τέλος, παρουσιάζεται μια γενική θεωρία πλήρους κύματος για την περιγραφή πολυπολικών όρων σε 2-Δ ανομοιογενείς, ανισοτροπικές και γυροτροπικές δομές αυθαίρετης γεωμετρίας. Το πλαίσιο αυτό επιτρέπει αυστηρή πολυπολική ανάλυση συμβατή με γενικές ηλεκτρομαγνητικές μεθόδους επίλυσης, και επικυρώνεται μέσω αναλυτικών, ημι-αναλυτικών και αριθμητικών μεθόδων. Η χρησιμότητά του επιδεικνύεται μέσα από χαρακτηριστικά φωτονικά συστήματα όπου ο κατευθυντικός έλεγχος της σκέδασης κατέχει κεντρικό ρόλο. Συνολικά, η παρούσα διατριβή εμβαθύνει στην κατανόηση του χρονικού, γωνιακού και πολυπολικού ελέγχου της σκέδασης, και παρέχει εργαλεία για τον σχεδιασμό και την ερμηνεία σύνθετων νανοφωτονικών φαινομένων.