Ekstraordinær modulering af lyspolarisering med mørke plasmoner i magnetoplasmoniske nanokaviteter

Nanofotonik bruger lyspolarisering som en informationsbærer i optisk kommunikation, sansning, og billeddannelse. Ligeledes, lysets polariseringstilstand spiller en nøglerolle i den fotoniske overførsel af kvanteinformation. Inden for denne ramme, optiske nanoenheder, der muliggør dynamisk manipulation af lyspolarisering på nanoskala, er nøglekomponenter for fremtidige nanofotoniske applikationer.

Magnetiske materialer udviser såkaldt magneto-optisk (MO) aktivitet, opstået af spin-kredsløbskobling af elektroner, hvilket resulterer i en svag magnetfelt-induceret intensitets- og polarisationsmodulation (i størrelsesordenen mrads) af reflekteret og transmitteret lys.

Magneto-plasmonics udforsker nanostrukturer og metamaterialer, der kombinerer de stærke lokale forbedringer af elektromagnetiske felter produceret af lokaliserede plasmonexcitationer, dvs. kollektive svingninger af de kvasi-frie elektroner, med den iboende MO-aktivitet af den magnetiske bestanddel for at forbedre den ellers svage magnetfelt-inducerede polarisationsmodulation.

Indtil nu, de fleste undersøgelser af magnetoplasmonik fokuserede på excitation af lyse (dvs. strålende) lokaliserede dipolære plasmoniske resonanser, kendt som LPR'er, for at forstærke MO-responsen. Ja, dimere og flerlagede hybride ædel/ferromagnetiske metalstrukturer såvel som rent ferromagnetiske nanoantenner har demonstreret muligheden for at kontrollere og forstærke MO-egenskaber via plasmoniske excitationer. For eksempel, i betragtning af det arketypiske tilfælde af en cirkulær skive-lignende magneto-plasmonisk nanoantenne, indfaldende stråling med korrekt bølgelængde exciterer en LPR. Når nanoantennen "aktiveres" af et magnetfelt (H), en anden LPR induceres af den iboende MO-aktivitet. Denne MO-inducerede LPR (eller MOLPR) drives af LPR i en retning ortogonal til både H og LPR. Forholdet mellem MOLPR og LPR svarer til forholdet mellem responsen af ​​ortogonale udstrålende elektriske dipoler, der bestemmer den magnetfeltinducerede polarisationsændring af genudsendt lys.

Imidlertid, genereringen af ​​en stor MO-induceret elektrisk dipol forbundet med MOLPR'en er resultatet af en parallel forstærkning af den elektriske dipol forbundet med LPR'en. Den samtidige excitation af LPR, udsende lys med den indfaldende polarisering, og MOLPR, udsende lys med en polarisering vinkelret på den indfaldende stråling, begrænser den maksimalt opnåelige forbedring af magnetfeltaktiveret ændring i polarisering af reflekteret og transmitteret lys. På grund af denne begrænsning af MO-forbedringen, der udnytter lyse dipolære resonanser, amplifikationer op til omkring kun 1 størrelsesorden af ​​MO-responset er blevet observeret eksperimentelt, som ikke er nok til praktiske anvendelser af magneto-plasmonik til aktiv nanofotonik og fladoptik.

I et nyt blad udgivet i Lysvidenskab og applikationer , et internationalt team ledet af Nanoscience Cooperative Research Center, CIC Nanogune, Spanien, havde foreslået og demonstreret en strategi til at overvinde den førnævnte begrænsning baseret på excitation af hybride højordens multipolære mørke tilstande som et levedygtigt og kraftfuldt middel til at forstærke den magneto-optiske aktivitet af magneto-plasmoniske nanoantenner og opnå en hidtil uset aktiv kontrol af lyspolarisering under et magnetfelt. Forfatterne havde designet en symmetribrudt ikke-koncentrisk magneto-plasmonisk-skive/plasmonisk-ring nanostruktur for at muliggøre frirumslysexcitation af multipolære mørke tilstande i den plasmoniske ring såvel som deres hybridisering med den dipolære plasmoniske resonans af magneto-plasmonisk disk, fører til en hybrid multipolær tilstand.

Den store forstærkning af MO-responsen af ​​vores nanokavitet er resultatet af en stærkt forstærket strålende MOLPR, som drives af den lavstrålende hybrid multipolære resonans i stedet for en lysstærk LPR. På denne måde opnås forstærkningen af ​​det udstrålede lys fra den stærkt forstærkede MO-respons, idet man undgår en samtidig stor forstærkning af udstrålet lys med den indfaldende polarisering.