Усиление экваториального магнитооптического эффекта Керра в кремнийникелевых нанорешетках с помощью резонансов ми и поверхностных решеточных мод

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Экспериментально показано, что одномерный массив кремниевых нанонитей, периодически расположенных на никелевой подложке, усиливает экваториальный магнитооптический эффект Керра (ЭМОЭК) по сравнению с никелевой пленкой. Механизм усиления связан с возбуждением резонансов двух типов: мультипольных резонансов Ми в каждой нанонити и поверхностных решеточных резонансов (ПРР), возникающих за счет периодического расположения нанонитей. Максимальные значения ЭМОЭК составили 1.9 % и 2.6 % при возбуждении ПРР и магнитодипольного резонанса, соответственно. При возбуждении ПРР происходит сужение спектральной линии усиления ЭМОЭК по сравнению с магнитодипольным резонансом.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

К. А. Мамян

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: mamyan@nanolab.phys.msu.ru

физический факультет

Россия, Ленинские горы, 1, Москва, 119991

А. Ю. Фролов

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: mamyan@nanolab.phys.msu.ru

физический факультет

Россия, Ленинские горы, 1, Москва, 119991

В. В. Попов

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: mamyan@nanolab.phys.msu.ru

физический факультет

Россия, Ленинские горы, 1, Москва, 119991

А. А. Федянин

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: mamyan@nanolab.phys.msu.ru

физический факультет

Россия, Ленинские горы, 1, Москва, 119991

Список литературы

  1. Звездин А.К., Котов В.А. Магнитооптика тонких пленок. М.: Наука, 1988. 192 c.
  2. Кринчик Г.С., Артемьев В.А. Магнитооптические свойства Ni, Fe и Со в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра // ЖЭТФ. 1967. Т. 53. № 6. С. 1901–1912.
  3. Maier S.A. Plasmonics: fundamentals and applications. Springer Science & Business Media. 2007. 224 p.
  4. Armelles G., Bautista González-Díaz J., García-Martín A., Miguel García-Martín J., Cebollada A., Ujué González M., Acimovic S., Cesario J., Quidant R., Badenes G., Bohren C.F., Huffman D.R., Kim S., Jin J., Kim Y., Park I., Kim Y., Kim S. Localized surface plasmon resonance effects on the magneto-optical activity of continuous Au/Co/Au trilayers // Opt. Express. 2008. V. 16. P. 16104–16112.
  5. Wang L., Yang K., Clavero C., Nelson A.J., Carroll K.J., Carpenter E.E., Lukaszew R.A. Localized surface plasmon resonance enhanced magneto-optical activity in core-shell Fe–Ag nanoparticles // J. Appl. Phys. 2010. V. 107. P. 09B303.
  6. Barnes W.L., Dereux A., Ebbesen T.W. Surface plasmon subwavelength optics // Nature. 2003. V. 424. P. 824–830.
  7. Safarov V.I., Kosobukin V.A., Hermann C., Lampel G., Peretti J., Marlière C. Magneto-optical effects enhanced by surface plasmons in metallic multilayer films // Phys. Rev. Lett. 1994. V. 73. P. 3584–3587.
  8. Yang K., Lukaszew R.A., Clavero C., Skuza J.R. Magnetic field modulation of intense surface plasmon polaritons // Opt. Express. 2010. V. 18. P. 7743–7752.
  9. Takashima Y., Haraguchi M., Naoi Y. Numerical finite-difference time-domain calculation for extreme enhancement of magneto-optical effect at ultraviolet wavelength using Ni-subwavelength grating on SiO2/Ni structure // Opt. Rev. 2022. V. 29. P. 62–67.
  10. Кирьянов М.А., Останин Г.С., Долгова Т.В., Иноуе М., Федянин А.А. Аномальная пикосекундная динамика оптического пропускания гибридной метаповерхности Au-Bi: YIG // Письма в ЖЭТФ. 2023. Т. 117. № 3. С. 201–206.
  11. Novikov V.B., Romashkina A.M., Ezenkova D.A., Rodionov I.A., Afanasyev K.N., Baryshev A.V., Murzina T.V. Surface plasmon driven enhancement of linear and nonlinear magneto-optical Kerr effects in bimetallic magnetoplasmonic crystals in conical diffraction // Phys. Rev. B. 2022. V. 105. P. 155408.
  12. Pomozov A.R., Chekhov A.L., Rodionov I.A., Baburin A.S., Lotkov E.S., Temiryazeva M.P., Afanasyev K.N., Baryshev A.V., Murzina T.V. Two-dimensional high-quality Ag/Py magnetoplasmonic crystals // Appl. Phys. Lett. 2020. V. 116. P. 013106.
  13. Novikov I.A., Kiryanov M.A., Nurgalieva P.K., Frolov A.Y., Popov V.V., Dolgova T.V., Fedyanin A.A. Ultrafast magneto-optics in nickel magnetoplasmonic crystals // Nano Lett. 2020. V. 20. P. 8615–8619.
  14. Kiryanov M.A., Frolov A.Y., Novikov I.A., Kipp P.A., Nurgalieva P.K., Popov V.V., Ezhov A.A., Dolgova T.V., Fedyanin A.A. Surface profile-tailored magneto-optics in magnetoplasmonic crystals // APL Photonics. 2022. V. 7. P. 26104.
  15. Frolov A.Y., Shcherbakov M.R., Fedyanin A.A. Dark mode enhancing magneto-optical Kerr effect in multilayer magnetoplasmonic crystals // Phys. Rev. B. 2020. V. 101. P. 045409.
  16. Dyakov S.A., Fradkin I.M., Gippius N.A., Klompmaker L., Spitzer F., Yalcin E., Akimov I.A., Bayer M., Yavsin D.A., Pavlov S.I., Pevtsov A.B., Verbin S.Y., Tikhodeev S.G. Wide-band enhancement of the transverse magneto-optical Kerr effect in magnetite-based plasmonic crystals // Phys. Rev. B. 2019. V. 100. P. 214411.
  17. Wang Q., Yao H., Feng Y., Deng X., Yang B., Xiong D., He M., He M., Zhang W., Zhang W. Surface plasmon resonances boost the transverse magneto-optical Kerr effect in a CoFeB slab covered by a subwavelength gold grating for highly sensitive detectors // Opt. Express. 2021. V. 29. P. 10546–10555.
  18. Cheng T.-H., Yang W., Liu Z., Feng H., Qin J., Ma Y., Li S., Bi L., Luo F. Enhanced Faraday rotation by a Fano resonance in substrate-free three-dimensional magnetoplasmonic structures // Nanoscale. 2023. V. 15. P. 15583–15589.
  19. Панина Л.В., Беляев В.К., Аникин А., Шумская А., Козлов А.Г., Огнев А.В., Рогачев А., Корольков И., Здоровец М., Козловский А., Родионова В.В. Нанокомпозиты со структурой магнитное ядро-золотая оболочка для фототермии // ФММ. 2022. Т. 123. № 12. С. 1259–1266.
  20. Томилин С.В., Каравайников A.B., Ляшко С.Д., Милюкова Е.Т., Томилина O.A., Бержанский В.Н. Влияние наноструктурирования на возбуждение различных резонансных мод в магнитоплазмонном кристалле // ФММ. 2022. Т. 123. № 7. С. 710–715.
  21. Kolmychek I.A., Pomozov A.R., Leontiev A.P., Napolskii K.S., Murzina T.V. Magneto-optical effects in Au/Ni based composite hyperbolic metamaterials // Phys. Met. Metallogr. 2019. V. 120. P. 1266–1269.
  22. Naydenov P.N., Chekhov A.L., Ketsko V.A., Smirnova M.N., Murzina T.V., Stognij A.I. Magnetoplasmonic crystal waveguide // Opt. Express. 2018. V. 26. P. 21086–21091.
  23. Achanta V.G., Berzhansky V.N., Zvezdin A.K., Prokopov A.R., Dagesyan S.A., Shaposhnikov A.N., Kozhaev M.A., Kalish A.N., Komarov R.S., Belotelov V.I. Magnetoplasmonic quasicrystals: an approach for multiband magneto-optical response // Optica. 2018. V. 5. P. 617–623.
  24. Bsawmaii L., Gamet E., Neveu S., Jamon D., Royer F. Magnetic nanocomposite films with photo-patterned 1D grating on top enable giant magneto-optical intensity effects // Opt. Mater. Express. 2022. V. 12. P. 513–523.
  25. Bohren C.F., Huffman D.R. Absorption and scattering of light by small particles. John Wiley & Sons. 2004. 530 p.
  26. Черняк A.M., Барсукова М.Г., Шорохов A.С., Мусорин A.И., Федянин A.A. Связанное состояние континуума магнитофотонных метаповерхностей. Письма в ЖЭТФ. 2020. Т. 111. № 1. С. 40–44.
  27. Kuznetsov A.I., Miroshnichenko A.E., Brongersma M.L., Kivshar Y.S., Luk’yanchuk B. Optically resonant dielectric nanostructures // Science. 2016. V. 354. P. aag2472.
  28. Cao L., Fan P., Barnard E.S., Brown A.M., Brongersma M.L. Tuning the color of silicon nanostructures // Nano Lett. 2010. V. 10. P. 2649–2654.
  29. Barsukova M.G., Musorin A.I., Shorokhov A.S., Fedyanin A.A. Enhanced magneto-optical effects in hybrid Ni-Si metasurfaces // APL Photonics. 2019. V. 4. P. 016102.
  30. Musorin A.I., Barsukova M.G., Shorokhov A.S., Luk’yanchuk B.S., Fedyanin A.A. Manipulating the light intensity by magnetophotonic metasurfaces // J. Magn. Magn. Mater. 2018. V. 459. P. 165–170.
  31. Barsukova M.G., Shorokhov, A.S., Musorin, A.I., Neshev D.N., Kivshar Y.S., Fedyanin A.A. Magneto-optical response enhanced by Mie resonances in nanoantennas // ACS Photonics. 2017. V. 4. P. 2390–2395.
  32. Utyushev A.D., Zakomirnyi V.I., Rasskazov I.L. Collective lattice resonances: plasmonics and beyond // Rev. Phys. 2021. V. 6. P. 100051.
  33. Zakomirnyi V.I., Agren H., Rasskazov I.L., Karpov S.V., Gerasimov V.S., Ershov A.E. Collective lattice resonances in arrays of dielectric nanoparticles: a matter of size // Opt. Lett. 2019. V. 44. P. 5743–5746.
  34. Castellanos G.W., Bai P., Gómez Rivas J. Lattice resonances in dielectric metasurfaces // J. Appl. Phys. 2019. V. 125. P. 213105.
  35. Kataja M., Hakala T.K., Julku A., Huttunen M.J., Van Dijken S., Törmä P. Surface lattice resonances and magneto-optical response in magnetic nanoparticle arrays // Nat. Commun. 2015. V. 6. P. 1–8.
  36. Колмычек И.А., Шайманов А.Н., Барышев А.В., Мурзина Т.В. Исследование магнитооптического отклика двумерных магнитных плазмонных структур на основе золотых нанодисков в слое феррит-граната // Письма в ЖЭТФ. 2015. Т. 102. № 1. С. 50–55.
  37. Chetvertukhin A.V., Musorin A.I., Dolgova T.V., Uchida H., Inoue M., Fedyanin A.A. Transverse magneto-optical Kerr effect in 2D gold–garnet nanogratings // J. Magn. Magn. Mater. 2015. V. 383. P. 110–113. https://www.ansys.com/products/photonics/fdtd
  38. Pierce D.T., Spicer W.E. Electronic structure of amorphous Si from photoemission and optical studies // Phys. Rev. B. 1972. V. 5. P. 3017–3029.
  39. Palik E.D. Handbook of optical constants of solids. Academic Press. 1985. 804 p.
  40. Rizal C., Manera M.G., Ignatyeva D.O., Mejía-Salazar J.R., Rella R., Belotelov V.I., Pineider F., Maccaferri N. Magnetophotonics for sensing and magnetometry toward industrial applications // J. Appl. Phys. 2021. V. 130. P. 230901.
  41. Grunin A.A., Mukha I.R., Chetvertukhin A.V., Fedyanin A.A. Refractive index sensor based on magnetoplasmonic crystals // J. Magn. Magn. Mater. 2016. V. 415. P. 72–76.
  42. Belyaev V.K., Rodionova V.V., Grunin A.A., Inoue M., Fedyanin A.A. Magnetic field sensor based on magnetoplasmonic crystal // Sci. Rep. 2020. V. 10. P. 1–6.
  43. Murzin D., Mapps D.J., Levada K., Belyaev V., Omelyanchik A., Panina L., Rodionova V. Ultrasensitive magnetic field sensors for biomedical applications // Sensors. 2020. V. 20. P. 1569.
  44. Belyaev V.K., Murzin D.V., Perova N.N., Grunin A.A., Fedyanin A.A., Rodionova V.V. Permalloy-based magnetoplasmonic crystals for sensor applications // J. Magn. Magn. Mater. 2019. V. 482. P. 292–295.
  45. Murzin D.V., Frolov A. Yu., Mamian K.A., Belyaev V.K., Fedyanin A.A, Rodionova V.V. Low coercivity magnetoplasmonic crystal based on a thin permalloy film for magnetic field sensing applications // Opt. Mater. Express. 2023. V. 13. P. 171–178.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схематический вид поперечного сечения образца (а). АСМ-изображение образца (сверху) и его сечение вдоль пунктирной линии (снизу) (б). СЭМ-изображение образца (в). Схема экспериментальной установки (г). Л – лампа; ПД – полевая диафрагма; Л1 – линза 1; ПГ – призма Глана; АД – апертурная диафрагма; Л2 – линза 2; АВ – адаптер волокна; В – оптическое волокно; С – спектрометр.

Скачать (38KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Спектры отражения (черная непрерывная кривая – эксперимент, красная пунктирная – расчет), экспериментальный спектр ЭМОЭК (синяя кривая) при угле падения θ = 35°, распределение |H| при длинах волн 740 нм и 830 нм. Пунктирными кривыми со стрелками на распределениях магнитного поля указаны направления вектора напряженности электрического поля.

Скачать (27KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Спектры отражения (черная непрерывная кривая — эксперимент, красная пунктирная — расчет), экспериментальный спектр ЭМОЭК (синяя кривая) при угле падения θ = 10°, распределения | Н | при длинах волн 675 нм и 820 нм. Пунктирными кривыми со стрелками на распределениях магнитного поля указаны направления вектора напряженности электрического поля.

Скачать (29KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Экспериментальные спектры абсолютной модуляции коэффициента отражения ∆R при углах падения θ = 10° (черная кривая) и θ = 35° (красная кривая).

Скачать (17KB)
Метаданные