Forskare vid Finlands Aalto-universitet har upptäckt ett nytt sätt att kombinera plasmoniska och magneto-optiska effekter. De demonstrerade experimentellt att mönster av magnetiska material i arranger av nanoskala prickar kan leda till en mycket stark och mycket kontrollerbar modifiering av ljusets polarisering när strålen reflekterar från matrisen. Denna upptäckt kan öka känsligheten hos optiska komponenter för telekommunikation och biosensingapplikationer.

Kopplingen mellan ljus och magnetisering i ferromagnetiska material härrör från kvantmekaniska interaktioner. Dessa interaktioner resulterar i magneto-optiska effekter som ändrar egenskaperna, såsom polarisationsaxeln eller ljusets intensitet. Interaktioner mellan ljus och materia förstärks i nanoskala. Detta är en viktig motivation inom området plasmonik, som studerar ljus som interagerar med metallnanostrukturer.

En nanostorlek, metallisk nanopartikel beter sig väldigt mycket som en antenn för synliga våglängder; sådana antenner är bekanta för oss i många vardagliga enheter som fungerar på mycket längre radio- och mikrovågor. Forskarna utnyttjade ett fenomen som kallas ytgitteresonanser där alla nanopartiklar, de små antennerna, utstråla unisont i en array. Nyckeln till detta är att montera de magnetiska nanoantennerna i en längdskala som matchar våglängden för det inkommande ljuset.

I periodiska matriser, nanopartiklar interagerar starkt med varandra, ger upphov till kollektiva svängningar. Sådant beteende har tidigare rapporterats i ädelmetallnanopartiklar och forskats mycket vid Aalto University i Quantum Dynamics (QD) forskargrupp.

Nu, ett samarbete mellan QD och gruppen Nanomagnetism and Spintronics (NanoSpin) visar att sådana kollektiva svängningar också kan observeras i magnetiska material. Ytgitteresonanserna förbättrar ljuspolarisationsförändringen i ferromagnetiska material, den så kallade magneto-optiska Kerr-effekten.

En viktig upptäckt av studien var att frekvensen som är ljusets färg, för vilket detta händer kan göras annorlunda än frekvensen där den rent optiska effekten är starkast. Separationen av magneto-optiska och optiska signaler uppnåddes genom att välja ett annat avstånd mellan nanopartiklarna i gruppens två riktningar, förklarar professor Törmä.

Att använda magnetiska material var inte ett självklart val. Än så länge, optisk aktivitet i ferromagnetiska material har begränsats av deras höga motstånd, vilket gör det omöjligt att observera de imponerande plasmonresonanserna som ses i ädelmetaller.

Dock, genom att beställa nanopartiklarna i arrays och dra nytta av kollektiva resonanser, detta problem kan lindras. Detta resultat öppnar en viktig ny riktning inom forskningsområdet som fokuserar på koppling av ljus och magnetisering på nanoskala, säger professor Sebastiaan van Dijken.

Fördelarna med samarbete mellan forskargrupper - de som arbetar inom olika områden - var avgörande för projektets framgång. Författarna betonar att denna typ av projekt inte hade varit möjligt att uppnå utan omfattande kunskap om både optik och magnetism på nanoskala. Deras innovativa arbete har skapat grunden för ytterligare utforskningar och har potential att avancera tillämpningar bortom grundläggande fysik. Det gemensamma teamet använde anläggningarna för nanofabrikation i Micronova renrum samt elektronmikroskopverktygen som finns tillgängliga i Nanomikroskopi -centret.

Resultaten publiceras i veckan i tidningen Naturkommunikation .