[논문 리뷰] Magnetic on-off switching of a plasmonic laser

Francisco Freire‐Fernández, Javier Cuerda외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 27.

Plasmonic and Surface Plasmon Research참고 문헌 35인용 수 47

한 줄 요약

이 연구는 적외선-140 발광 매질에 삽입된 Co/Pt 다층 나노점을 포함한 플라스모닉 레이저에서 외부 자기장에 의해 수직 자화를 반전시켜 레이저 작동을 완전히 케이 또는 끄는 것을 보여준다. 원형 편광 조명 조건 하에서, 자기장에 의해 수직 자화를 반전시킴으로써 레이저 작동이 완전히 케이 또는 끄는 것이 가능해지며, 이는 레이저 비선형성에 의해 증폭된 자기광학 효과를 이용한 것이다. 이는 플라스모닉 레이저에 대한 능동적 자기 제어를 처음으로 구현한 것이다.

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).

연구 동기 및 목표

• 기존의 귀금속 기반 플라스모닉 레이저의 관성적인 광학 반응을 극복하고 플라스모닉 레이저에 대한 능동적 자기장 제어를 보여주기 위해.
• 특히 자화에 의존하는 허용도 텐서를 가지는 자기 나노재료의 자기광학 성질을 플라스모닉 나노구조에서 활용하기 위해.
• 일반적으로 선형 광학에서는 감지하기 어려운 약한 자기광학 효과가, 레이저 영역에서는 비선형 증폭으로 인해 뚜렷하게 나타남을 보여주기 위해.
• 재구성 가능한 광학 회로 및 토폴로지 광학 분야에 잠재적인 응용이 있는 자기 조절 가능한 나노레이저 플랫폼을 구축하기 위해.
• 높은 옴 손실을 가지는 것으로 알려진 자기 재료를 플라스모닉 레이저에 사용할 수 있는지의 가능성을 탐색하기 위해, 비가역적 자기 전환을 통한 功能성 레이저 작동을 보여주기 위해.

제안 방법

• Au/SiO2 이중층 기판 위에 수직 자기이방성이 있는 Co/Pt 다층 나노점(220 nm 지름, 68 nm 높이)의 정기 배열을 제작하였다.
• 광학적 이득을 제공하고 레이저 작동을 가능하게 하기 위해 나노구조 배열을 12 mM의 IR-140 염료 용액에 침지시었다.
• 원형 편광 조명(σ+ 및 σ−) 하에서 각도 분해능 광발광(PL) 측정을 수행하여 레이저 임계값과 방출 특성을 분석하였다.
• Co/Pt 나노점의 자화 방향을 포화시키기 위해 ±0.5 T의 외부 자기장을 적용하여 자화 상태를 반전시켰다.
• 자화 상태와 광학 모드 구조 및 표면 격자 공진(표면 격자 공진, SLR) 조건 간의 상관관계를 확인하기 위해 자기원형이질성(MCD) 및 반사율 스펙트럼을 측정하였다.
• 관측된 전환 행동과 모드 조절을 설명하기 위해 표면 격자 공진(SLR) 및 자기광학 반응의 이론적 모델링을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 자기장에 의해 플라스모닉 나노레이저의 레이저 작동을 능동적으로 제어할 수 있는가?
• RQ2 일반적으로 선형 광학에서는 약한 것으로 알려진 자기 나노구조의 자기광학 효과가, 비선형 레이저 영역에서는 어느 정도 관측 가능해지는가?
• RQ3 Co/Pt 나노점의 자화 상태는 정기적인 플라스모닉 배열에서 표면 격자 공진(SLR)과 레이저 임계값에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 자기 전환을 사용하여 레이저 방출을 완전히 케이 또는 끄는 제어를, 조명 조건이나 이득 매질을 변경하지 않고도 달성할 수 있는가?
• RQ5 원형 편광 조명이 나선형 자기광학 결합을 통해 자기장 의존성 레이저 작동을 가능하게 하는 역할은 무엇인가?

주요 결과

• ±0.5 T의 외부 자기장을 사용하여 Co/Pt 나노점의 자화를 반전시킴으로써 레이저 작동이 완전히 케이 또는 끈다.
• σ+ 조명 조건 하에서, 자화가 +0.5 T 상태일 경우 레이저 작동이 20.6 μJ/cm²의 펌프 플루언스에서 발생하였고, −0.5 T 자화 상태에서 동일한 플루언스로는 레이저 작동이 관측되지 않았다.
• 두 자화 상태 간의 레이저 임계값은 약 1.5 μJ/cm² 만큼 이동하여, 효과적인 모드 품질과 푸르셀 증폭의 급격한 변화를 나타내었다.
• 각도 분해능 PL 측정 결과, 자화가 반전될 때 레이저 방출에서 비레이저 방출로의 명확한 전이가 관측되었으며, SLR 파장(891–893 nm)에서 특징적인 스펙트럼 구조가 나타났다.
• 자기원형이질성(MCD) 측정 결과, SLR 파장에서 1.2%의 조절 깊이를 확보하여 자화에 의존하는 광학 반응을 확인하였다.
• Co/Pt 다층 구조에서 완전한 잔류자화를 보이므로 전환은 비가역적이며, 지속적인 자기장 적용 없이도 안정적인 자기 제어가 가능하다.