[論文レビュー] Selective and Fast Plasmon-Assisted Photo-Heating of Nanomagnets; A New Route for Opto-Activated Nanomagnetic Logic and Artificial Spin Systems

Matteo Pancaldi, Naëmi Leo+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 48被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、ナノ磁性論理およびスピン系のための選択的・超高速なナノ磁性体の熱化を可能にする、接触なしで光で駆動されるプラズモン的ナノヒーターを提案する。細長いナノ構造における偏光依存性プラズモン吸収を活用することで、1ナノ秒未塔の、サブラティス特異的熱化を実現し、数百度ケルビンの温度上昇を達成する。これにより、磁気反転の精密制御とコercivityの低減が可能となる。

ABSTRACT

Thermal relaxation of nanoscale magnetic islands, mimicking Ising macrospins, is indispensable for studies of geometrically frustrated artificial spin systems and low-energy nanomagnetic computation. Currently-used heating schemes based on contact to a thermal reservoir, however, lack the speed and spatial selectivity required for the implementation in technological applications. Applying a hybrid approach by combining a plasmonic nanoheater with a magnetic element, in this work we establish the robust and reliable control of local temperatures in nanomagnetic arrays by contactless optical means. Plasmon-assisted photo-heating allows for temperature increases of up to several hundred Kelvins, which lead to thermally-activated moment reversals and a pronounced reduction of the magnetic coercive field. Furthermore, the polarization-dependent absorption cross section of elongated plasmonic elements enables sublattice-specific heating on sub-nanosecond time scales. Using optical degrees of freedom, i.e. focal position, polarization, power, and pulse length, thermoplasmonic heating of nanomagnets offers itself for the use in flexible, fast, spatially-, and element-selective thermalization for functional magnetic metamaterials.

研究の動機と目的

• 従来の接触型加熱法による遅く、選択的でないナノ磁性体アレイの熱化の制限を克服すること。
• 低消費電力ナノ磁性体計算への応用を目的として、ナノ磁性体系における高速で空間的に分解能のある、要素特異的な熱制御を可能にすること。
• 細長いナノ構造における偏光依存性プラズモン励起を用いてサブラティス特異的加熱を実証すること。
• 機能的磁性メタマテリアルのための、高い時間的・空間的分解能を持つ熱プラズモン的加熱を達成すること。
• 局所的で接触なしの加熱を通じて、磁気コercivityおよびモーメント反転の光学的制御を可能にすること。

提案手法

• ナノ磁性体島とプラズモン的ナノヒーターを統合し、接触なしの光学的励起を可能にする。
• 細長いプラズモン的構造における偏光依存性吸収を活用してサブラティス特異的加熱を実現する。
• 焦点位置、偏光、出力、パルス長といった光学的パラメータを用いて、加熱位置と強度を正確に制御する。
• 局所的表面プラズモン共鳴を活用して、ナノスケールで強い局所的加熱を生成する。
• 光学的および磁気的特性評価を通じて、熱的に誘発される磁気モーメント反転およびコーエルシビティの変化をモニタリングする。
• プラズモン励起下でのナノ磁性体の熱的応答をモデル化し、加熱ダイナミクスの予測と検証を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プラズモン的ナノヒーターは、アレイ内の個々のナノ磁性体に対して1ナノ秒未塔の、空間的に選択的な加熱を可能にするか？
• RQ2 入射光の偏光は、磁性アレイ内のサブラティス間の加熱選択性をどの程度制御できるか？
• RQ3 プラズモン加熱は、磁気コーエルシビティをどの程度低減し、熱的に駆動されるモーメント反転を効果的に誘発できるか？
• RQ4 ナノ磁性体系におけるプラズモン補助の光加熱で達成可能な最大温度上昇はどの程度か？
• RQ5 光学的パラメータを調整することで、機能的磁性メタマテリアルのための柔軟で再設定可能な熱化が可能か？

主な発見

• プラズモン補助の光加熱により、ナノ磁性体素子で最大数百度ケルビンの温度上昇が達成された。
• プラズモン的加熱による熱的緩和は、磁気コーエルシビティの顕著な低減を引き起こした。
• 細長いプラズモン的ナノ構造における偏光依存性吸収を通じて、サブラティス特異的加熱が実現された。
• 熱化は1ナノ秒未塔の時間スケールで発生し、磁気状態の超高速制御が可能となった。
• 焦点位置、偏光、出力、パルス長による光学的制御により、柔軟で要素選択的熱化が実現された。
• 本手法により、接触なしで高速かつ空間的に分解能のある熱化が可能となり、ナノ磁性体論理および人工スピン系に適したものとなった。