[论文解读] 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 7

一句话总结

本文提出了一种无接触、光驱动的等离子体纳米加热器，用于实现纳米磁体的选择性、超快热化，适用于纳米磁逻辑和自旋系统。通过利用长形纳米结构中的偏振依赖性等离子体吸收，实现了亚纳秒级、亚晶格特异性的加热，温度升高可达数百开尔文，从而实现对磁反转和矫顽力降低的精确控制。

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.

研究动机与目标

• 克服传统接触式加热方法导致的纳米磁性阵列中热化速度慢、非选择性的问题。
• 实现在纳米磁性系统中快速、空间分辨且元素特异性的热控制，以应用于低能耗纳米磁性计算。
• 通过长形纳米结构中的偏振依赖性等离子体激发，实现亚晶格特异性加热。
• 实现具有高时间与空间分辨率的热等离子体加热，用于功能磁性超材料。
• 通过局部、无接触加热，实现对磁性矫顽力和磁矩反转的光学控制。

提出的方法

• 将等离子体纳米加热器与纳米磁性岛集成，以实现无接触的光学激发。
• 利用长形等离子体结构中的偏振依赖性吸收，实现亚晶格特异性加热。
• 通过光学参数——聚焦位置、偏振、功率和脉冲长度——精确控制加热位置和强度。
• 利用局域表面等离子体共振，在纳米尺度产生强烈且受限的加热。
• 通过光学和磁性表征监测热诱导的磁矩反转和矫顽力变化。
• 对等离子体激发下纳米磁体的热响应进行建模，以预测并验证加热动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 等离子体纳米加热器能否实现对阵列中单个纳米磁体的亚纳秒级、空间选择性加热？
• RQ2 入射光的偏振在多大程度上控制磁性阵列中亚晶格之间的加热选择性？
• RQ3 等离子体加热在多大程度上能降低磁性矫顽场并诱导热激活的磁矩反转？
• RQ4 通过等离子体辅助光加热在纳米磁性系统中可实现的最大温升是多少？
• RQ5 能否通过调节光学参数实现功能磁性超材料的灵活、可重构热化？

主要发现

• 等离子体辅助光加热在纳米磁性元件中实现了高达数百开尔文的温升。
• 等离子体加热引起的热弛豫显著降低了磁性矫顽力。
• 通过长形等离子体纳米结构中的偏振依赖性吸收，实现了亚晶格特异性加热。
• 热化过程发生在亚纳秒时间尺度，实现了对磁态的超快控制。
• 通过聚焦位置、偏振、功率和脉冲长度的光学控制，实现了灵活的、元件选择性热化。
• 该方法实现了无接触、高速且空间分辨的热化，适用于纳米磁性逻辑和人工自旋系统。