Onderzoekers van de Finse Aalto University hebben een nieuwe manier ontdekt om plasmonische en magneto-optische effecten te combineren. Ze hebben experimenteel aangetoond dat patroonvorming van magnetische materialen in arrays van stippen op nanoschaal kan leiden tot een zeer sterke en zeer controleerbare wijziging van de polarisatie van licht wanneer de bundel reflecteert vanuit de array. Deze ontdekking zou de gevoeligheid van optische componenten voor telecommunicatie- en biosensing-toepassingen kunnen vergroten.

De koppeling tussen licht en magnetisatie in ferromagnetische materialen komt voort uit kwantummechanische interacties. Deze interacties resulteren in magneto-optische effecten die de eigenschappen wijzigen, zoals de polarisatie-as of de intensiteit van het licht. Interacties tussen licht en materie worden versterkt op nanoschaal. Dit is een belangrijke drijfveer op het gebied van plasmonica, die licht bestudeert dat in wisselwerking staat met metalen nanostructuren.

Een nano-formaat, metalen nanodeeltjes gedragen zich heel erg als een antenne voor zichtbare golflengten; dergelijke antennes zijn ons bekend in tal van alledaagse apparaten die werken op veel langere radio- en microgolven. De onderzoekers maakten gebruik van een fenomeen dat bekend staat als oppervlakteroosterresonanties waarbij alle nanodeeltjes, de kleine antennes, samen uitstralen in een array. De sleutel hiervoor is om de magnetische nanoantennes te monteren op een lengteschaal die overeenkomt met de golflengte van het invallende licht.

In periodieke reeksen, nanodeeltjes interageren sterk met elkaar, die aanleiding geven tot collectieve schommelingen. Dergelijk gedrag is eerder gerapporteerd in nanodeeltjes van edelmetaal en uitgebreid onderzocht aan de Aalto University in de onderzoeksgroep Quantum Dynamics (QD).

Nutsvoorzieningen, een samenwerking tussen QD en de groep Nanomagnetism and Spintronics (NanoSpin) laat zien dat dergelijke collectieve oscillaties ook in magnetische materialen kunnen worden waargenomen. De oppervlakteroosterresonanties versterken de verandering van de lichtpolarisatie in ferromagnetische materialen, het zogenaamde magneto-optische Kerr-effect.

Een belangrijke bevinding van het onderzoek was dat de frequentie die de kleur van licht is, waarvoor dit gebeurt, kan verschillend worden gemaakt van de frequentie waar het puur optische effect het sterkst is. De scheiding van magneto-optische en optische signalen werd bereikt door een verschillende afstand tussen de nanodeeltjes in de twee richtingen van de array te kiezen, legt professor Törmä uit.

Het gebruik van magnetische materialen lag niet voor de hand. Tot dusver, optische activiteit in ferromagnetische materialen is beperkt door hun hoge weerstand, waardoor het onmogelijk is om de indrukwekkende plasmonresonanties in edele metalen waar te nemen.

Echter, door de nanodeeltjes in arrays te ordenen en te profiteren van collectieve resonanties, dit probleem kan worden verholpen. Dit resultaat opent een belangrijke nieuwe richting in het onderzoeksveld dat zich richt op de koppeling van licht en magnetisatie op nanoschaal, zegt hoogleraar Sebastiaan van Dijken.

De voordelen van samenwerking tussen onderzoeksgroepen - degenen die op verschillende gebieden werkzaam zijn - waren essentieel voor het succes van het project. De auteurs benadrukken dat dit soort projecten niet mogelijk zou zijn geweest zonder uitgebreide kennis van zowel optica als magnetisme op nanoschaal. Hun innovatieve werk heeft de basis gelegd voor verdere verkenningen en heeft het potentieel om toepassingen verder te brengen dan de fundamentele fysica. Het gezamenlijke team gebruikte de nanofabricagefaciliteiten in de Micronova-cleanroom en de elektronenmicroscopietools die beschikbaar zijn in het Nanomicroscopiecentrum.

De resultaten worden deze week gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .