2013: Научные достижения ученых физфака МГУ
" Магнитоплазмонные кристаллы позволяют эффективно управлять светом"

2013-magnetoplasmonic-crystals.jpg

Ученые физического факультета МГУ в международном коллективе ученых создали новый наноструктурированный плазмонный материал, в котором наблюдается новый магнитооптический эффект, а также значительно усиливаются уже известные магнитооптические эффекты Фарадея и Керра. Продемонстрирована модуляция интенсивности света на 24%. Это открывает уникальные возможности управления светом на частотах более 1 ГГц в современных устройствах интегральной оптики. Результаты работы были опубликованы в июне и июле 2013 года в двух статьях в журнале Nature Communications (статья1статья2).

Управление светом посредством магнитного поля в настоящее время является одним из наиболее многообещающих методов модуляции интенсивности и поляризации света на субнаносекундных временных масштабах. Использование наноструктурированных материалов позволяет получить значительное усиление различных магнитооптических эффектов. 

“Недавно нам удалось продемонстрировать уникальные свойства магнитоплазмонных кристаллов – специально спроектированных металло-диэлектрических гетероструктур, содержащих слой магнитного диэлектрика, на который нанесен тонкий золотой слой с решеткой щелей. При прохождении света через магнитоплазмонные кристаллы значительно усиливаются магнитооптические эффекты Фарадея и Керра”, утверждает один из авторов работ, доцент кафедры фотоники и физики микроволн физического факультета МГУ Владимир Белотелов. В таких материалах возможно возбуждение поверхностных плазмон-поляритонов и гибридных плазмонно-волноводных мод. Вблизи частот их возбуждения значительно увеличивается время взаимодействия света с магнитной пленкой, намагниченной вдоль направления падения света, что и приводит к усилению эффекта Фарадея, т.е. к увеличению угла поворота плоскости поляризации света.

В то же время, если структура намагничена в плоскости и вдоль щелей золотой решетки, то наблюдается гигантский экваториальный эффект Керра, который проявляется в том, что интенсивность прошедшего света изменяется при перемагничивании структуры. В данном случае основную роль играет смещение плазмонного резонанса, вызванное обращением намагниченности магнитной пленки.

Владимир Белотелов заявил, что “важной особенностью разработанных магнитоплазмонных кристаллов является то, что в них не только усиливаются уже известные эффекты, но также возникают и новые эффекты, не наблюдаемые в однородных пленках”. 

При освещении ненамагниченного плазмонного кристалла светом, поляризованным перпендикулярно щелям решетки, возможно возбуждение гибридной плазмонно-волноводной моды. Если магнитоплазмонный кристалл намагнитить в его плоскости и перпендикулярно щелям золотой решетки, то в структуре возможно возбуждение дополнительной волноводной моды, ортогональной первой, что модифицирует оптические спектры образца и на резонансных частотах увеличивает коэффициент оптического пропускания.

Владимир Белотелов заявил: “В работе нам удалось достичь относительного увеличения коэффициента пропускания на 24%, что является рекордной величиной для магнитооптики, не использующей скрещенные поляризаторы.” Расчеты предсказывают, что новый магнитооптический эффект может быть значительно увеличен путем использования магнитных пленок оптимальной толщины и с большими значениями магнитооптического параметра. Это делает его очень перспективным для прикладной нанофотоники. Кроме того, возникает возможность манипулировать волноводными модами структуры, включая или выключая волноводные моды, посредством внешнего магнитного поля.

Эта концепция была разработана международной командой исследователей, включающей лабораторию магнитооптики и фотоники кафедры фотоники и физики микроволн физического факультета МГУ, где в течение последних семи лет проводились исследования плазмонных структур.