[논문 리뷰] Magnetoplasmonics in nanocavities: Dark plasmons enhance magneto-optics beyond the intrinsic limit of magnetoplasmonic nanoantennas

Alberto López‐Ortega, Mario Zapata Herrera외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 20.

Plasmonic and Surface Plasmon Research참고 문헌 1인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 자기성 플라스모닉 디스크와 플라스모닉 링 공진기를 조합한 나노공진기 설계를 제안하여 어두운 플라스몬 모드를 활용해 자화광학 효과를 향상시킨다. 기하학적 대칭성을 깨짐으로써 시스템은 자유공간 빛과의 결합을 가능하게 하고 어두운 다중극자 모드를 이원자 공진과 하이브리드화함으로써 기존의 자성 플라스모닉 나노안테나의 내재한 한계를 초월해 약 10배의 증폭을 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 자성 플라스모닉 나노안테나의 내재된 증폭 한계를 극복하기 위해 자화광학 반응에서의 성능 향상.
• 비공심 나노공진기에서 어둠의 플라스몬 모드의 잠재력을 탐색하여 빛-물질 상호작용을 향상시키기 위해.
• 소형 구조물에서 자화광학 활성화를 효율적으로 유도할 수 있는 하이브리드 플라스모닉 공진을 설계하기 위해.
• 향상된 자화광학 효과를 기반으로 한 활성 나노광학 및 평판 광학을 위한 일반 플랫폼 개발하기 위해.

제안 방법

• 기하학적 대칭성이 깨진 비공심 자성 플라스모닉 디스크/플라스모닉 링 공진기 나노공진기의 설계 및 제작.
• 링 공진기 내에서 다중극자 어둠의 모드를 활용하여 저방사, 고품질 인자 공진을 지원하기 위해.
• 자성 플라스모닉 디스크의 이방성 국소 플라스모닉 공진과 링의 어둠의 모드 간의 하이브리드화를 설계하기 위해.
• 대칭성 깨짐 결합을 통해 자유공간 조명을 이용해 하이브리드 다중극자 공진을 자극하기 위해.
• 증폭 정도를 정량화하기 위해 편광 해상도를 갖춘 광학 스펙트로스코피를 사용해 자화광학 반응 특성 분석하기 위해.
• 향상된 자화광학 이중극 모멘트의 기원을 규명하기 위해 전기역학적 반응 분석하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구조화된 나노공진기 내 어둠의 플라스몬 모드가 기존 자성 플라스모닉 나노안테나의 한계를 초월해 자화광학 활성도를 상당히 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 기하학적 비대칭성이 나노공진기 내에서 어둠의 플라스몬 모드와 자유공간 빛 간의 결합을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ3 이원자 및 다중극자 플라스모닉 공진 간의 하이브리드화가 자화광학 반응을 증폭시키는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 나노공진기의 전기역학적 반응이 자화된 방사 이중극 모멘트를 어느 정도 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 제안된 메커니즘은 다른 플라스모닉 및 자화광학 나노구조로 일반화 가능한가?

주요 결과

• 나노공진기 내 하이브리드 다중극자 공진은 순수한 자성 플라스모닉 나노안테나에서 국소 플라스모닉 공진이 달성할 수 있는 최대 증폭보다 약 10배 정도의 자화광학 반응 증폭을 실현한다.
• 증폭은 저방사, 고품질 인자 다중극자 공진에 의해 구동되는 강력한 자화된 방사 자화광학 이중극 모멘트에 기인한다.
• 기하학적 대칭성이 깨짐으로써 자유공간 빛과의 효율적 결합이 가능해져 이면 어두운 모드의 자극이 가능해진다.
• 시스템은 나노공진기 영역에 자화광학 장 강도를 집중시키는 강력한 전기역학적 반응을 지원한다.
• 관측된 증폭은 자성 플라스모닉 디스크의 이원자 공진과 링 공진기의 다중극자 어둠의 모드 간의 고유한 하이브리드화에 기인한다.
• 제안된 설계는 일반적이며 활성 나노광학 및 평판 광학 응용을 위한 새로운 길을 제시한다.