[论文解读] 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 47

一句话总结

本研究通过在IR-140染料增益介质中嵌入Co/Pt多层纳米点，实现了利用外加磁场实现等离子体激光的磁控开关。在圆偏振激发下，通过外加磁场反转垂直磁化方向，可完全开启或关闭激光作用，该过程利用了由激光非线性效应放大的磁光效应，首次实现了对等离子体激光的主动磁控。

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).

研究动机与目标

• 展示对外加磁场的主动控制，以克服传统贵金属基等离子体激光器的惰性光学响应。
• 利用磁性纳米材料的磁光特性——特别是磁化依赖的介电张量——在等离子体纳米结构中实现调控。
• 证明在传统线性光学中通常不可检测的微弱磁光效应，由于非线性放大作用，在激光状态下变得显著可见。
• 建立一种可磁控调谐的纳米激光平台，具有在可重构光子电路和拓扑光子学中应用的潜力。
• 通过展示具有非挥发性磁开关功能的激光，探索在等离子体激光中使用磁性材料的可行性，尽管其具有较高的欧姆损耗。

提出的方法

• 在Au/SiO2双层基底上制备了具有垂直磁各向异性的Co/Pt多层纳米点周期阵列（直径220 nm，高度68 nm）。
• 将纳米结构阵列浸入12 mM的IR-140染料溶液中，以提供光学增益并实现激光发射。
• 在圆偏振激发（σ+和σ−）条件下，采用角度分辨光致发光（PL）测量，探测激光阈值和发射特性。
• 施加±0.5 T的外加磁场，以饱和Co/Pt纳米点的磁化方向，实现其磁化状态的反转。
• 测量磁圆二色性（MCD）和反射率光谱，关联磁化状态与光学模式结构及表面晶格共振（SLR）条件。
• 通过表面晶格共振（SLRs）和磁光响应的理论建模，解释观测到的开关行为和模式调谐特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过外加磁场主动控制等离子体纳米激光的激光作用？
• RQ2 在传统线性光学中通常微弱的磁性纳米结构磁光效应，在非线性激光状态下能多大程度上变得可观测？
• RQ3 Co/Pt纳米点的磁化状态如何影响周期性等离子体阵列中的表面晶格共振（SLR）和激光阈值？
• RQ4 能否通过磁开关实现不改变激发条件或增益介质的激光发射全开全关控制？
• RQ5 圆偏振激发在通过手性磁光耦合实现磁场依赖性激光中起什么作用？

主要发现

• 通过±0.5 T的外加磁场反转Co/Pt纳米点的磁化方向，可完全实现激光作用的开启或关闭。
• 在σ+激发下，当磁化方向为+0.5 T时，激光在泵浦能量密度为20.6 μJ/cm²时出现；而在σ−激发下，磁化方向为−0.5 T时，相同能量密度下未观测到激光。
• 两种磁化状态下激光阈值相差约1.5 μJ/cm²，表明有效模式品质因子和Purcell增强效应发生了显著变化。
• 角度分辨PL测量显示，当磁化方向反转时，激光发射与非激光发射之间存在明显转变，且在SLR波长（891–893 nm）处表现出明显的光谱特征。
• 磁圆二色性（MCD）测量在SLR波长处显示出1.2%的调制深度，证实了磁化依赖的光学响应。
• 由于Co/Pt多层结构具有完全剩磁，该开关过程为非挥发性，可在无需持续施加磁场的情况下实现稳定磁控。