Magneto-optics of plasmonic nickel nanostructures

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2016-06-10
Date
2016
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
104 + app. 78
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 93/2016
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.
Description
Supervising professor
van Dijken, Sebastiaan, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Thesis advisor
van Dijken, Sebastiaan, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Keywords
nanotechnology, nanophotonics, plasmonics, magneto-optics, photonic crystals, surface plasmons, nanoteknologia, nano-optiikka, plasmoniikka, magneto-optiset ilmiöt, fotonikiteet, pintaplasmonit
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Nicolò Maccaferri, Juan B. González-Díaz, Stefano Bonetti, Andreas Berger, Mikko Kataja, Sebastiaan van Dijken, Josep Nogués, Valentina Bonanni, Zhaleh Pirzadeh, Alexandre Dmitriev, Johan Åkerman, and Paolo Vavassori. Polarizability and magnetoplasmonic properties of magnetic general nanoellipsoids. Optics Express, 21, 8, 9875-9889, April 2013.
    DOI: 10.1364/OE.21.009875 View at publisher
  • [Publication 2]: Nicolò Maccaferri, Andreas Berger, Stefano Bonetti, Valentina Bonanni, Mikko Kataja, Qi Hang Qin, Sebastiaan van Dijken, Zhaleh Pirzadeh, Alexandre Dmitriev, Josep Nogués, Johan Åkerman, and Paolo Vavassori. Tuning the Magneto-Optical Response of Nanosize Ferromagnetic Ni Disks Using the Phase of Localized Plasmons. Physical Review Letters, 111, 167401, October 2013.
    DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.167401 View at publisher
  • [Publication 3]: Nicolò Maccaferri, Mikko Kataja, Valentina Bonanni, Stefano Bonetti, Zhaleh Pirzadeh, Alexandre Dmitriev, Sebastiaan van Dijken, Johan Åkerman and Paolo Vavassori. Effects of a non-absorbing substrate on the magneto-optical Kerr response of plasmonic ferromagnetic nanodisks. Physica status solidi (a), 211, 5, 1067-1075, May 2014.
    DOI: 10.1002/pssa.201300701 View at publisher
  • [Publication 4]: Mikko Kataja, Tommi K. Hakala, Aleksi Julku, Mikko J. Huttunen, Sebastiaan van Dijken and Päivi Törmä. Surface lattice resonances and magneto-optical response in magnetic nanoparticle arrays. Nature Communications, 6, 7072, May 2015.
    DOI: 10.1038/ncomms8072 View at publisher
  • [Publication 5]: Mikko Kataja, Sara Pourjamal, Nicolò Maccaferri, Paolo Vavassori, Tommi K. Hakala, Mikko J. Huttunen, Päivi Törmä and Sebastiaan van Dijken. Hybrid plasmonic lattices with tunable magneto-optical activity. Optics Express, 24, 4, 3652-3662, February 2016.
    DOI: 10.1364/OE.24.003652 View at publisher
  • [Publication 6]: Mikko Kataja, Sara Pourjamal and Sebastiaan van Dijken. Magnetic circular dichroism of non-local surface lattice resonances in magnetic nanoparticle arrays. Optics Express, 24, 8, 3562-3571, February 2016.
    DOI: 10.1364/OE.24.003562 View at publisher
Citation