Sætter et nyt spin på plasmonics

Forskere ved Finlands Aalto-universitet har opdaget en ny måde at kombinere plasmoniske og magneto-optiske effekter på. De demonstrerede eksperimentelt, at mønsterdannelse af magnetiske materialer til arrays af nanoskala prikker kan føre til en meget stærk og meget kontrollerbar ændring af lysets polarisering, når strålen reflekteres fra arrayet. Denne opdagelse kan øge følsomheden af ​​optiske komponenter til telekommunikation og biosensing applikationer.

Koblingen mellem lys og magnetisering i ferromagnetiske materialer opstår fra kvantemekaniske interaktioner. Disse interaktioner resulterer i magneto-optiske effekter, der ændrer egenskaberne, såsom polarisationsaksen eller lysets intensitet. Interaktioner mellem lys og stof forbedres på nanoskalaen. Dette er en nøglemotivation inden for plasmonik, som studerer lys, der interagerer med metal nanostrukturer.

En nano-størrelse, metallisk nanopartikel opfører sig meget som en antenne til synlige bølgelængder; sådanne antenner er kendt for os i adskillige dagligdags enheder, der fungerer på meget længere radio- og mikrobølger. Forskerne udnyttede et fænomen kendt som overfladegitterresonanser, hvor alle nanopartikler, de små antenner, udstråle unisont i en række. Nøglen til dette er at samle de magnetiske nanoantenner på en længdeskala, der matcher bølgelængden af ​​det indgående lys.

I periodiske arrays, nanopartikler interagerer stærkt med hinanden, giver anledning til kollektive svingninger. En sådan adfærd er tidligere blevet rapporteret i ædelmetal nanopartikler og forsket i vid udstrækning på Aalto University i forskergruppen Quantum Dynamics (QD).

Nu, et samarbejde mellem QD og gruppen Nanomagnetism and Spintronics (NanoSpin) viser, at sådanne kollektive svingninger også kan observeres i magnetiske materialer. Overfladegitterresonanserne øger lyspolarisationsændringen i ferromagnetiske materialer, den såkaldte magneto-optiske Kerr-effekt.

Et centralt fund i undersøgelsen var, at frekvensen, der er lysets farve, for hvilket dette sker, kan gøres anderledes end den frekvens, hvor den rent optiske effekt er stærkest. Adskillelsen af ​​magneto-optiske og optiske signaler blev opnået ved at vælge en anden afstand mellem nanopartiklerne i de to retninger af arrayet, forklarer professor Törmä.

At bruge magnetiske materialer var ikke et oplagt valg. Indtil nu, optisk aktivitet i ferromagnetiske materialer er blevet begrænset af deres høje modstand, hvilket gør det umuligt at observere de imponerende plasmonresonanser, der ses i ædelmetaller.

Imidlertid, ved at ordne nanopartiklerne i arrays og drage fordel af kollektive resonanser, dette problem kan afhjælpes. Dette resultat åbner en vigtig ny retning i forskningsfeltet, der fokuserer på koblingen af ​​lys og magnetisering på nanoskala, siger professor Sebastiaan van Dijken.

Fordelene ved samarbejde mellem forskergrupper - dem, der arbejder inden for forskellige områder - var afgørende for projektets succes. Forfatterne understreger, at denne form for projekt ikke ville have været mulig at opnå uden omfattende viden inden for både optik og magnetisme på nanoskala. Deres innovative arbejde har skabt grundlaget for yderligere udforskninger og har potentiale til at fremme applikationer ud over grundlæggende fysik. Det fælles team brugte nanofabrikationsfaciliteterne i Micronovas renrum samt de elektronmikroskopiværktøjer, der er tilgængelige i Nanomicroscopy Center.

Resultaterne offentliggøres i denne uge i tidsskriftet Naturkommunikation .