[論文レビュー] Magnetoplasmonics in nanocavities: Dark plasmons enhance magneto-optics beyond the intrinsic limit of magnetoplasmonic nanoantennas

Alberto López‐Ortega, Mario Zapata Herrera+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2019

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 1被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、磁気プラズモンナノディスクとプラズモンループレゾネーターを組み合わせたナノキャビティ構造を提案し、ダークプラズモンモードを活用して磁気光学効果を強化する。幾何的対称性を破ることで、自由空間光への結合が可能となり、ダークな多重極モードと双極子共鳴がハイブリダイズ化され、従来の磁気プラズモンナノアンテナの固有限界をはるかに超えて約10倍の磁気光学応答の増幅が達成された。

ABSTRACT

Enhancing magneto-optical effects is crucial for size reduction of key photonic devices based on non-reciprocal propagation of light and to enable active nanophotonics. We disclose a so far unexplored approach that exploits dark plasmons to produce an unprecedented amplification of magneto-optical activity. We designed and fabricated non-concentric magnetoplasmonic-disk/plasmonic-ring-resonator nanocavities supporting multipolar dark modes. The broken geometrical symmetry of the design enables coupling with free-space light and hybridization of dark modes of the ring nanoresonator with the dipolar localized plasmon resonance of the magnetoplasmonic disk. Such hybridization generates a multipolar resonance that amplifies the magneto-optical response of the nanocavity by ~1-order of magnitude with respect to the maximum enhancement achievable by localized plasmons in bare magnetoplasmonic nanoantennas. This large amplification results from the peculiar and enhanced electrodynamic response of the nanocavity, yielding an intense magnetically-activated radiant magneto-optical dipole driven by the low-radiant multipolar resonance. The concept proposed is general and, therefore, our results open a new path that can revitalize research and applications of magnetoplasmonics to active nanophotonics and flat optics.

研究の動機と目的

• 磁気プラズモンナノアンテナの磁気光学応答における固有の増幅限界を克服すること。
• 非同心ナノキャビティにおけるダークプラズモンモードの潜在的役割を、強化された光・物質相互作用の観点から探求すること。
• 効率的な磁気光学活性の励起を可能にするハイブリッドプラズモン共鳴を設計すること。
• 強化された磁気光学効果に基づく、アクティブナノフォトニクスおよびフラットオプティクスのための一般化可能なプラットフォームを構築すること。

提案手法

• 幾何的対称性が破られた非同心磁気プラズモンナノディスク／プラズモンループレゾネーターのナノキャビティの設計とプロセス化。
• ループレゾネーター内の多重極ダークモードを活用し、低放射・高Qファクター共鳴を実現。
• 磁気プラズモンナノディスクの双極子局在プラズモン共鳴とループのダークモードとのハイブリダイゼーションを設計。
• 対称性破壊結合による自由空間光を用いたハイブリッド多重極共鳴の励起。
• 偏光分解光学分光法を用いて磁気光学応答を特徴付け、増幅度を定量。
• 電磁場応答を解析し、強化された磁気光学双極子モーメントの起源を同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 構造化されたナノキャビティ内でのダークプラズモンモードが、従来の磁気プラズモンナノアンテナの限界を超えて、顕著に磁気光学活性を強化できるか？
• RQ2 幾何的非対称性が、ナノキャビティ内でのダークプラズモンモードと自由空間光との結合をどのように可能にするか？
• RQ3 双極子と共鳴する多重極プラズモン共鳴のハイブリダイゼーションが、磁気光学応答の増幅に果たす役割は何か？
• RQ4 ナノキャビティの電磁場応答が、磁気的に駆動される放射的双極子モーメントをどの程度強化できるか？
• RQ5 提示されたメカニズムは、他のプラズモンおよび磁気光学ナノ構造に対しても一般化可能か？

主な発見

• ナノキャビティ内のハイブリッド多重極共鳴は、単独の磁気プラズモンナノアンテナが達成可能な最大増幅をはるかに超えて、磁気光学応答を約10倍に増幅する。
• 増幅は、低放射・高Qファクターの多重極共鳴によって駆動される、強力で磁気的に活性化された放射的磁気光学双極子モーメントに起因する。
• 幾何的対称性の破壊により、自由空間光への効率的な結合が可能となり、もともと「暗黒」であったモードの励起が実現された。
• システムは、ナノキャビティ領域に磁気光学場強度を集中させる強力な電磁場応答を示した。
• 観察された増幅は、磁気プラズモンナノディスクの双極子共鳴とループレゾネーターの多重極ダークモードとの特異なハイブリダイゼーションに起因する。
• 提案された設計は一般化可能であり、アクティブナノフォトニクスおよびフラットオプティクスの応用への新たな道筋を提供する。