Magneto-optics of plasmonic nickel nanostructures

Abstract

Light can couple to subwavelength nanostructures via the excitation of surface plasmon polaritions. The rapid development of nanofabrication techniques has enabled significant advances in nanophotonics with plasmonics playing a key role. Combining extreme confinement of light in plasmonic nanostructures with active elements has opened up attractive prospects for controllable nanophotonic devices. Magneto-optically active materials are a potential candidate for such active elements as they enable non-reciprocal manipulation of the polarization characteristics of optical excitations and are easily and reversibly controlled by external magnetic fields. This thesis presents results on the magneto-optics and plasmonics of ferromagnetic nanostructures. The use of ferromagnetic nickel in subwavelength nanostructures offers a relatively simple geometry for an in-depth study on the relationship between plasmon excitations and magneto-optical activity. Experiments on circular nickel nanodots show that plasmon resonances correspond with a resonant enhancement of magneto-optically induced polarization rotation. Breaking the rotational symmetry in elliptical nanostructures demonstrates that the magneto-optical response can be described by excitation of two orthogonal electric dipole oscillations. Arranging the nanoparticles into a periodic lattice gives rise to more narrow and intense surface lattice resonances that, in turn, further enhance the magneto-optical activity at the resonance frequency. These properties arise from radiative coupling between the dipole oscillations of the individual nanoparticles. However, the optical and magneto-optical dipole resonances couple along orthogonal directions in the lattice, which enables active tuning of the magneto-optical response. Finally, it is shown that hybrid arrays of noble metal and ferromagnetic nanoparticles combine high optical reflectivity and strong magneto-optical activity. Radiative coupling between the sub-lattices of the hybrid array induces a collective magneto-optical response that involves both the magnetic and non-magnetic nanoparticles. The experimental results on single nickel nanoparticles are reproduced by an analytical model based on modified long wavelength approximation (MLWA) while the optical and magneto-optical response of periodic particle arrays are reproduced by a numerical model based on the discrete dipole approximation (DDA) that was expanded to include magneto-optical effects. The results on plasmonic nanostructures with integrated magneto-optical activity open up new avenues towards integrating magneto-optical elements into nanophotonic devices such as photonic crystals and metasurfaces.

Plasmonirakenteet mahdollistavat näkyvän valon kytkeytymisen huomattavasti sen omaa aallonpituutta pienempiin rakenteisiin. Plasmonit ovatkin tärkeässä roolissa uudenlaisen nanomittakaavan optiikan kehittämisessä. Erityisen mielenkiintoiseksi plasmoniresonanssit tekee mahdollisuus yhdistää niiden tuottamat voimakkaat sähkökentät aktiivisiin elementteihin uudenlaisten nanolaitteiden valmistamiseksi. Eräs vaihtoehto on käyttää ns. magneto-optisia ilmiötä plasmoniresonanssien polarisaatio-ominaisuuksien manipulointiin ulkoisten magneettikenttien avulla. Tässä väitöskirjassa esitellään uusia tutkimustuloksia magneto-optisista ilmiöistä ferromagneettisissa nikkeliplasmonirakenteissa. Magnetoituman ja plasmoniresonanssien yhdistäminen samassa rakenteessa helpottaa magneto-optisten ilmiöiden ja plasmonien vuorovaikutuksen ymmärtämistä. Kokeellisin mittauksin osoitetaan että ympyränmuotoisissa nanopisteissä plasmoniresonanssit vahvistavat magneto-optisia ilmöitä. Symmetrian rikkominen käyttämällä elliptisiä nanopisteitä johtaa tulokseen jonka mukaan magneto-optisia ilmöitä plasmonirakenteissa voi kuvata käyttämällä mallia, joka perustuu kahteen kytkettyyn, vastakkaissuuntaiseen plasmoniresonanssiin. Nanorakenteiden järjestäminen perioidisiin fotonikiderakenteisiin johtaa vielä voimakkaampiin hilaplasmoniresonansseihin, jotka entisestään vahvistavat magneto-optisia ilmiötä. Havaitut ilmiöt voidaan selittää yksittäisten plasmoniresonanssien kytkeytymisellä hilassa. Optiset ja magneto-optiset moodit kytkeytyvät hilassa vastakkaisissa suunnissa mikä lisää vapausasteita magneto-optisten ilmöiden suunnittelussa. Yhdistämällä ferromagneettisia ja jalometallinanopartikkeleja samaan ns. hybridihilaan, voidaan ferromagneettisille metalleille ominaisia ohmisia häviöitä kompensoida ja saada aikaan hiloja joissa magneto-optiset ilmiöt yhdistyvät vahvempiin plasmoniresonansseihin. Hybridihilan magneto-optiset ominaisuudet riippuvat sekä ferromagneettisten että jalometallisten partikkelien ominaisuuksista. Ilmiö selittyy myös yksittäisten partikkelien kytkeytymisellä. Yksittäisten nikkelinanopartikkelien ominaisuudet selitetään analyyttisellä mallilla, joka perustuu laajenetulle suurien aallonpituuksien approksimaatiolle (modified long wavelength approximation, MLWA). Hilarakenteiden optiset ja magneto-optisia ilmiöitä mallinnetaan yksittäisten dipolien approksimaatiolla, (discrete dipole approximation, DDA) johon on sisällytetty magneto-optiset ilmiöt. Väitöskirjan koetuloksia ferromagneettisista nanorakenteista ja hybridihiloista ja niitä kuvaavia malleja voidaan hyödyntää magneto-optisten elementtien integroimiseen uusiin nanomittakaavan optisiin laitteisiin kuten fotonikiteisiin ja metapintoihin.