Under de senaste åren, Forskare har visat att ljus kan fungera som en spin-strömgenerator, skapa strömmar med rörelsemängd, i optiska nanostrukturer som kallas plasmoniska absorbatorer, öppnar upp en ny gren av spintronik som kallas opto-spintronik.

Nyligen, forskare har börjat använda metamaterial, konstruerade kompositer som har unika egenskaper som inte finns i naturen, för att öka absorptionshastigheten för plasmoniska absorbatorer. Dessa egenskaper inkluderar storleken, form och arrangemang av nanopartiklarna som manipulerar elektromagnetiska vågor, absorberas som ljus, för att uppnå det som är omöjligt med konventionella material.

Forskare i Japan använde ett treskiktsmetamaterial för att utveckla en våglängdsselektiv plasmonisk metamaterialabsorberare (PMA) ovanpå en spintronisk enhet för att förbättra genereringen av spinnströmmar från värmen som produceras i mittinfraröda regimen.

Forskningen, som skulle kunna införlivas i en rad tillämpningar från termofotovoltaik och ultratunnfilmssolceller till ljus- och termiska detektorer, rapporteras denna vecka i APL fotonik .

"Vårt arbete är det första att kombinera mellaninfraröda plasmoniska metamaterial med spintroniska enheter. Denna unika kombination möjliggör starkare ljusabsorption och visar den utmärkta hållbarheten hos dessa metamaterials resonansvåglängder, sa Satoshi Ishii, en forskare vid National Institute for Materials Science och medförfattare till artikeln.

Forskarna skapade en spintronisk enhet som består av separata lager av platina (Pt) och yttriumjärngranat (YIG). De placerade sedan lager av aluminiumoxid och aluminium på Pt-lagret för att skapa PMA ovanpå spintronic-enheten. I detta fall, Pt används som det nedersta lagret i PMA och även som det översta lagret av spintronic-anordningen.

Teamet i Japan visade att en spinnström kan genereras direkt från de absorberade fotonerna i Pt-filmen, en paramagnetisk metall, som placeras över YIG, som är en magnetisk isolator. Eftersom ljus är begränsat i subvåglängdsregimen i PMA, elektromagnetiska fält förstärks kraftigt innan ljuset absorberas. Efter att ljus har absorberats av Pt-filmen, den genererar värme, som också förstärks av PMA.

Med andra ord, när infallande ljus träffar enheten i det mellaninfraröda området, PMA uppvisar en stark plasmonisk resonans, vilket maximerar absorptionen. En bråkdel av det absorberade ljuset utlöser delvis den fotospin-voltaiska (PSV) effekten i Pt/YIG spintronic-enheten, en relativt ny metod för att direkt generera spinnströmmar via fotoner i en omagnetisk metall skiktad med en magnetisk isolator. Det återstående ljuset värmer upp enheten för att producera en termisk gradient över den magnetiska materialtjockleken, vilket i sin tur inducerar en termiskt genererad spinnspänning i det som kallas longitudinell spin Seebeck-effekt (LSSE).

"Kortfattat, på grund av den plasmoniska metamaterialabsorbatorn, " sa Ken-ichi Uchida, en annan NIMS-forskare och medförfattare till artikeln, "enheten tillåter elektrisk detektering av en specifik våglängd genom PSV-effekten och LSSE."