De afgelopen jaren, onderzoekers hebben aangetoond dat licht kan dienen als spinstroomgenerator, het creëren van stromen van impulsmoment, in optische nanostructuren die bekend staan ​​als plasmonabsorbers, het openen van een nieuwe tak van spintronica genaamd opto-spintronics.

Onlangs, onderzoekers zijn begonnen metamaterialen te gebruiken, samengestelde composieten met unieke eigenschappen die niet in de natuur voorkomen, om de absorptiesnelheden van plasmonische absorptiemiddelen te verbeteren. Deze eigenschappen omvatten de grootte, vorm en rangschikking van de nanodeeltjes die elektromagnetische golven manipuleren, geabsorbeerd als licht, bereiken wat met conventionele materialen onmogelijk is.

Onderzoekers in Japan gebruikten een drielagig metamateriaal om een ​​golflengte-selectieve plasmonische metamateriaalabsorber (PMA) te ontwikkelen bovenop een spintronisch apparaat om de opwekking van spinstromen uit de warmte die wordt geproduceerd in het midden-infraroodregime te verbeteren.

Het onderzoek, die kunnen worden opgenomen in een reeks toepassingen, van thermofotovoltaïsche en ultradunne filmzonnecellen tot licht- en thermische detectoren, wordt deze week gerapporteerd in APL Fotonica .

"Ons werk is het eerste dat mid-infrarood plasmonische metamaterialen combineert met spintronische apparaten. Deze unieke combinatie maakt een sterkere lichtabsorptie mogelijk en toont de uitstekende houdbaarheid van de resonantiegolflengten van deze metamaterialen, " zei Satoshi Ishii, een onderzoeker bij het National Institute for Materials Science en co-auteur van het artikel.

De onderzoekers creëerden een spintronisch apparaat dat bestaat uit afzonderlijke lagen platina (Pt) en yttrium-ijzer-granaat (YIG). Vervolgens plaatsten ze lagen aluminiumoxide en aluminium op de Pt-laag om de PMA bovenop het spintronische apparaat te maken. In dit geval, Pt wordt gebruikt als de onderste laag in de PMA en ook als de bovenste laag van het spintronische apparaat.

Het team in Japan toonde aan dat een spinstroom direct kan worden gegenereerd uit de geabsorbeerde fotonen in de Pt-film, een paramagnetisch metaal, die over YIG wordt geplaatst, dat is een magnetische isolator. Omdat licht is opgesloten in het subgolflengteregime in de PMA, elektromagnetische velden worden sterk versterkt voordat het licht wordt geabsorbeerd. Nadat licht is geabsorbeerd door de Pt-film, het genereert warmte, die ook wordt versterkt door de PMA.

Met andere woorden, wanneer invallend licht het apparaat in het midden-infraroodbereik raakt, de PMA vertoont een sterke plasmonische resonantie, wat de absorptie maximaliseert. Een fractie van het geabsorbeerde licht veroorzaakt gedeeltelijk het foto-spin-voltaïsche (PSV) effect in het Pt/YIG spintronische apparaat, een relatief nieuwe methode om direct spinstromen op te wekken via fotonen in een niet-magnetisch metaal met daarop een magnetische isolator. Het resterende licht verwarmt het apparaat om een ​​thermische gradiënt over de magnetische materiaaldikte te produceren, die op zijn beurt een thermisch gegenereerde spinspanning induceert in wat het longitudinale spin Seebeck-effect (LSSE) wordt genoemd.

"Kortom, dankzij de plasmonische metamateriaalabsorbeerder, " zei Ken-ichi Uchida, een andere NIMS-onderzoeker en co-auteur van het artikel, "het apparaat maakt de elektrische detectie van een specifieke golflengte mogelijk via het PSV-effect en de LSSE."