[論文レビュー] Magnetic on-off switching of a plasmonic laser

Francisco Freire‐Fernández, Javier Cuerda+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2022

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 35被引用数 47

ひとこと要約

本研究では、赤外線-140（IR-140）染料発光媒体に埋め込まれたCo/Pt多層膜ナノドットを用いて、プラズモニックレーザーの磁気的オンオフスイッチングを実証した。外部磁場によって垂直磁性を反転させることで、円偏光励起下においてレーザー作用を完全にオンまたはオフにできる。これは、レーザーの非線形性によって増幅された磁気光学効果を活用したものであり、プラズモニックレーザーにおける磁気的アクティブ制御の初の実証である。

ABSTRACT

The nanoscale mode volumes of surface plasmon polaritons have enabled plasmonic lasers and condensates with ultrafast operation(1-4). Most plasmonic lasers are based on noble metals, rendering the optical mode structure inert to external fields. Here we demonstrate active magnetic-field control over lasing in a periodic array of Co/Pt multilayer nanodots immersed in an IR-140 dye solution. We exploit the magnetic nature of the nanoparticles combined with mode tailoring to control the lasing action. Under circularly polarized excitation, angle-resolved photoluminescence measurements reveal a transition between the lasing action and non-lasing emission as the nanodot magnetization is reversed. Our results introduce magnetization as a means of externally controlling plasmonic nanolasers, complementary to modulation by excitation(5), gain medium(6)(.7) or substrate(8). Further, the results show how the effects of magnetization on light that are inherently weak can be observed in the lasing regime, inspiring studies of topological photonics(9-11).

研究の動機と目的

• 従来の貴金属ベースのプラズモニックレーザーの惰性な光学応答を克服し、外部磁場によるプラズモニックレーザーのアクティブ制御を実証すること。
• 特に磁化依存性誘電率テンソルを示す磁性ナノ材料の磁気光学特性を、プラズモニックナノ構造で活用すること。
• 通常の線形光学では検出困難な微弱な磁気光学効果が、非線形レーザー状態では非線形増幅によって顕著に顕在されることを示すこと。
• 再構成可能光回路およびトポロジカルフォトニクス分野への応用が期待される、磁気的にチューナブルなナノレーザーのプラットフォームを確立すること。
• 高損失を示す磁性材料を用いても、非揮発性磁気スイッチングを示す機能的レーザーを実現することで、磁性材料をプラズモニックレーザーに応用可能かどうかの可能性を検討すること。

提案手法

• Au/SiO2二重膜基板上に垂直磁気異方性を有するCo/Pt多層膜ナノドット（直径220 nm、高さ68 nm）の周期的アレイを作製した。
• ナノ構造アレイを12 mMのIR-140染料溶液に浸漬して、光学的増幅を提供し、レーザー発振を可能にした。
• 円偏光励起（σ+およびσ−）下での角度分解光励起（PL）測定を実施し、レーザー閾値および発光特性を評価した。
• Co/Ptナノドットの磁化方向を飽和させるために、±0.5 Tの外部磁場を印加し、磁化状態を反転させた。
• 磁化状態と光学モード構造および表面格子共鳴（SLR）条件との関係を明らかにするために、磁気円二色性（MCD）および反射率スペクトルを測定した。
• 表面格子共鳴（SLR）および磁気光学応答の理論的モデリングを用いて、観測されたスイッチング行動およびモードチューニングを説明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部磁場を用いてプラズモニックナノレーザーのレーザー作用をアクティブに制御可能か？
• RQ2 通常の線形光学では微弱とされる磁性ナノ構造の磁気光学効果が、非線形レーザー状態ではどの程度顕著に観測可能になるか？
• RQ3 Co/Ptナノドットの磁化状態が、周期的プラズモニックアレイにおける表面格子共鳴（SLR）およびレーザー閾値にどのように影響を与えるか？
• RQ4 磁化スイッチングを用いて、励起条件や発光媒体を変更せずに、プラズモニックレーザーの発光を完全にオンオフ制御可能か？
• RQ5 円偏光励起が、キラルな磁気光学結合を通じて磁場依存性レーザー発振を可能にする役割は何か？

主な発見

• ±0.5 Tの外部磁場を用いてCo/Ptナノドットの磁化を反転させることで、レーザー作用を完全にオンまたはオフに制御できた。
• σ+励起下では、磁化が+0.5 T状態にあるとき、励起フラクチュエーション20.6 μJ/cm²でレーザー発振が観測されたが、σ−励起下で磁化が−0.5 T状態にあるときには、同じフラクチュエーションでもレーザー発振は観測されなかった。
• 2つの磁化状態間でレーザー閾値が約1.5 μJ/cm²シフトしたため、有効モード品質およびPurcell増幅の顕著な変化が示された。
• 角度分解PL測定から、磁化を反転させることで明確にレーザー発光から非レーザー発光への遷移が観察され、表面格子共鳴（SLR）波長（891–893 nm）で特徴的なスペクトル的特徴が確認された。
• 磁気円二色性（MCD）測定では、SLR波長で1.2%のモードラテーション深さが観測され、磁化依存性光学応答が確認された。
• Co/Pt多層膜に完全な残留磁化が存在するため、スイッチングは非揮発的であり、継続的な磁場印加なしに安定した磁気的制御が可能となった。