Transverse magneto-optical Kerr effect enhancement in si–ni nanogratings by mie and surface lattice resonances

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

We demonstrate experimentally that a one-dimensional array of silicon nanowires periodically placed on a nickel substrate enhances the transverse magneto-optical Kerr effect (TMOKE) compared to a nickel film. The enhancement mechanism is associated with the excitation of two types of resonances: multipole Mie resonances in each nanowire and surface lattice resonances (SLRs) emerging from the periodic arrangement of the nanowires. The maximal TMOKE values reached up to 1.9 % and 2.6 % due to the excitation of SLR and a magnetic dipole resonance, respectively. When the SLR is excited, the spectral width of the TMOKE enhancement is narrower compared to the case of the magnetic dipole resonance.

全文:

受限制的访问

作者简介

K. Mamian

Lomonosov Moscow State University, Faculty of Physics

编辑信件的主要联系方式.
Email: mamyan@nanolab.phys.msu.ru

Faculty of Physics

俄罗斯联邦, Moscow, 119991

A. Frolov

Lomonosov Moscow State University, Faculty of Physics

Email: mamyan@nanolab.phys.msu.ru

Faculty of Physics

俄罗斯联邦, Moscow, 119991

V. Popov

Lomonosov Moscow State University, Faculty of Physics

Email: mamyan@nanolab.phys.msu.ru

Faculty of Physics

俄罗斯联邦, Moscow, 119991

A. Fedyanin

Lomonosov Moscow State University, Faculty of Physics

Email: mamyan@nanolab.phys.msu.ru

Faculty of Physics

俄罗斯联邦, Moscow, 119991

参考

  1. Звездин А.К., Котов В.А. Магнитооптика тонких пленок. М.: Наука, 1988. 192 c.
  2. Кринчик Г.С., Артемьев В.А. Магнитооптические свойства Ni, Fe и Со в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра // ЖЭТФ. 1967. Т. 53. № 6. С. 1901–1912.
  3. Maier S.A. Plasmonics: fundamentals and applications. Springer Science & Business Media. 2007. 224 p.
  4. Armelles G., Bautista González-Díaz J., García-Martín A., Miguel García-Martín J., Cebollada A., Ujué González M., Acimovic S., Cesario J., Quidant R., Badenes G., Bohren C.F., Huffman D.R., Kim S., Jin J., Kim Y., Park I., Kim Y., Kim S. Localized surface plasmon resonance effects on the magneto-optical activity of continuous Au/Co/Au trilayers // Opt. Express. 2008. V. 16. P. 16104–16112.
  5. Wang L., Yang K., Clavero C., Nelson A.J., Carroll K.J., Carpenter E.E., Lukaszew R.A. Localized surface plasmon resonance enhanced magneto-optical activity in core-shell Fe–Ag nanoparticles // J. Appl. Phys. 2010. V. 107. P. 09B303.
  6. Barnes W.L., Dereux A., Ebbesen T.W. Surface plasmon subwavelength optics // Nature. 2003. V. 424. P. 824–830.
  7. Safarov V.I., Kosobukin V.A., Hermann C., Lampel G., Peretti J., Marlière C. Magneto-optical effects enhanced by surface plasmons in metallic multilayer films // Phys. Rev. Lett. 1994. V. 73. P. 3584–3587.
  8. Yang K., Lukaszew R.A., Clavero C., Skuza J.R. Magnetic field modulation of intense surface plasmon polaritons // Opt. Express. 2010. V. 18. P. 7743–7752.
  9. Takashima Y., Haraguchi M., Naoi Y. Numerical finite-difference time-domain calculation for extreme enhancement of magneto-optical effect at ultraviolet wavelength using Ni-subwavelength grating on SiO2/Ni structure // Opt. Rev. 2022. V. 29. P. 62–67.
  10. Кирьянов М.А., Останин Г.С., Долгова Т.В., Иноуе М., Федянин А.А. Аномальная пикосекундная динамика оптического пропускания гибридной метаповерхности Au-Bi: YIG // Письма в ЖЭТФ. 2023. Т. 117. № 3. С. 201–206.
  11. Novikov V.B., Romashkina A.M., Ezenkova D.A., Rodionov I.A., Afanasyev K.N., Baryshev A.V., Murzina T.V. Surface plasmon driven enhancement of linear and nonlinear magneto-optical Kerr effects in bimetallic magnetoplasmonic crystals in conical diffraction // Phys. Rev. B. 2022. V. 105. P. 155408.
  12. Pomozov A.R., Chekhov A.L., Rodionov I.A., Baburin A.S., Lotkov E.S., Temiryazeva M.P., Afanasyev K.N., Baryshev A.V., Murzina T.V. Two-dimensional high-quality Ag/Py magnetoplasmonic crystals // Appl. Phys. Lett. 2020. V. 116. P. 013106.
  13. Novikov I.A., Kiryanov M.A., Nurgalieva P.K., Frolov A.Y., Popov V.V., Dolgova T.V., Fedyanin A.A. Ultrafast magneto-optics in nickel magnetoplasmonic crystals // Nano Lett. 2020. V. 20. P. 8615–8619.
  14. Kiryanov M.A., Frolov A.Y., Novikov I.A., Kipp P.A., Nurgalieva P.K., Popov V.V., Ezhov A.A., Dolgova T.V., Fedyanin A.A. Surface profile-tailored magneto-optics in magnetoplasmonic crystals // APL Photonics. 2022. V. 7. P. 26104.
  15. Frolov A.Y., Shcherbakov M.R., Fedyanin A.A. Dark mode enhancing magneto-optical Kerr effect in multilayer magnetoplasmonic crystals // Phys. Rev. B. 2020. V. 101. P. 045409.
  16. Dyakov S.A., Fradkin I.M., Gippius N.A., Klompmaker L., Spitzer F., Yalcin E., Akimov I.A., Bayer M., Yavsin D.A., Pavlov S.I., Pevtsov A.B., Verbin S.Y., Tikhodeev S.G. Wide-band enhancement of the transverse magneto-optical Kerr effect in magnetite-based plasmonic crystals // Phys. Rev. B. 2019. V. 100. P. 214411.
  17. Wang Q., Yao H., Feng Y., Deng X., Yang B., Xiong D., He M., He M., Zhang W., Zhang W. Surface plasmon resonances boost the transverse magneto-optical Kerr effect in a CoFeB slab covered by a subwavelength gold grating for highly sensitive detectors // Opt. Express. 2021. V. 29. P. 10546–10555.
  18. Cheng T.-H., Yang W., Liu Z., Feng H., Qin J., Ma Y., Li S., Bi L., Luo F. Enhanced Faraday rotation by a Fano resonance in substrate-free three-dimensional magnetoplasmonic structures // Nanoscale. 2023. V. 15. P. 15583–15589.
  19. Панина Л.В., Беляев В.К., Аникин А., Шумская А., Козлов А.Г., Огнев А.В., Рогачев А., Корольков И., Здоровец М., Козловский А., Родионова В.В. Нанокомпозиты со структурой магнитное ядро-золотая оболочка для фототермии // ФММ. 2022. Т. 123. № 12. С. 1259–1266.
  20. Томилин С.В., Каравайников A.B., Ляшко С.Д., Милюкова Е.Т., Томилина O.A., Бержанский В.Н. Влияние наноструктурирования на возбуждение различных резонансных мод в магнитоплазмонном кристалле // ФММ. 2022. Т. 123. № 7. С. 710–715.
  21. Kolmychek I.A., Pomozov A.R., Leontiev A.P., Napolskii K.S., Murzina T.V. Magneto-optical effects in Au/Ni based composite hyperbolic metamaterials // Phys. Met. Metallogr. 2019. V. 120. P. 1266–1269.
  22. Naydenov P.N., Chekhov A.L., Ketsko V.A., Smirnova M.N., Murzina T.V., Stognij A.I. Magnetoplasmonic crystal waveguide // Opt. Express. 2018. V. 26. P. 21086–21091.
  23. Achanta V.G., Berzhansky V.N., Zvezdin A.K., Prokopov A.R., Dagesyan S.A., Shaposhnikov A.N., Kozhaev M.A., Kalish A.N., Komarov R.S., Belotelov V.I. Magnetoplasmonic quasicrystals: an approach for multiband magneto-optical response // Optica. 2018. V. 5. P. 617–623.
  24. Bsawmaii L., Gamet E., Neveu S., Jamon D., Royer F. Magnetic nanocomposite films with photo-patterned 1D grating on top enable giant magneto-optical intensity effects // Opt. Mater. Express. 2022. V. 12. P. 513–523.
  25. Bohren C.F., Huffman D.R. Absorption and scattering of light by small particles. John Wiley & Sons. 2004. 530 p.
  26. Черняк A.M., Барсукова М.Г., Шорохов A.С., Мусорин A.И., Федянин A.A. Связанное состояние континуума магнитофотонных метаповерхностей. Письма в ЖЭТФ. 2020. Т. 111. № 1. С. 40–44.
  27. Kuznetsov A.I., Miroshnichenko A.E., Brongersma M.L., Kivshar Y.S., Luk’yanchuk B. Optically resonant dielectric nanostructures // Science. 2016. V. 354. P. aag2472.
  28. Cao L., Fan P., Barnard E.S., Brown A.M., Brongersma M.L. Tuning the color of silicon nanostructures // Nano Lett. 2010. V. 10. P. 2649–2654.
  29. Barsukova M.G., Musorin A.I., Shorokhov A.S., Fedyanin A.A. Enhanced magneto-optical effects in hybrid Ni-Si metasurfaces // APL Photonics. 2019. V. 4. P. 016102.
  30. Musorin A.I., Barsukova M.G., Shorokhov A.S., Luk’yanchuk B.S., Fedyanin A.A. Manipulating the light intensity by magnetophotonic metasurfaces // J. Magn. Magn. Mater. 2018. V. 459. P. 165–170.
  31. Barsukova M.G., Shorokhov, A.S., Musorin, A.I., Neshev D.N., Kivshar Y.S., Fedyanin A.A. Magneto-optical response enhanced by Mie resonances in nanoantennas // ACS Photonics. 2017. V. 4. P. 2390–2395.
  32. Utyushev A.D., Zakomirnyi V.I., Rasskazov I.L. Collective lattice resonances: plasmonics and beyond // Rev. Phys. 2021. V. 6. P. 100051.
  33. Zakomirnyi V.I., Agren H., Rasskazov I.L., Karpov S.V., Gerasimov V.S., Ershov A.E. Collective lattice resonances in arrays of dielectric nanoparticles: a matter of size // Opt. Lett. 2019. V. 44. P. 5743–5746.
  34. Castellanos G.W., Bai P., Gómez Rivas J. Lattice resonances in dielectric metasurfaces // J. Appl. Phys. 2019. V. 125. P. 213105.
  35. Kataja M., Hakala T.K., Julku A., Huttunen M.J., Van Dijken S., Törmä P. Surface lattice resonances and magneto-optical response in magnetic nanoparticle arrays // Nat. Commun. 2015. V. 6. P. 1–8.
  36. Колмычек И.А., Шайманов А.Н., Барышев А.В., Мурзина Т.В. Исследование магнитооптического отклика двумерных магнитных плазмонных структур на основе золотых нанодисков в слое феррит-граната // Письма в ЖЭТФ. 2015. Т. 102. № 1. С. 50–55.
  37. Chetvertukhin A.V., Musorin A.I., Dolgova T.V., Uchida H., Inoue M., Fedyanin A.A. Transverse magneto-optical Kerr effect in 2D gold–garnet nanogratings // J. Magn. Magn. Mater. 2015. V. 383. P. 110–113. https://www.ansys.com/products/photonics/fdtd
  38. Pierce D.T., Spicer W.E. Electronic structure of amorphous Si from photoemission and optical studies // Phys. Rev. B. 1972. V. 5. P. 3017–3029.
  39. Palik E.D. Handbook of optical constants of solids. Academic Press. 1985. 804 p.
  40. Rizal C., Manera M.G., Ignatyeva D.O., Mejía-Salazar J.R., Rella R., Belotelov V.I., Pineider F., Maccaferri N. Magnetophotonics for sensing and magnetometry toward industrial applications // J. Appl. Phys. 2021. V. 130. P. 230901.
  41. Grunin A.A., Mukha I.R., Chetvertukhin A.V., Fedyanin A.A. Refractive index sensor based on magnetoplasmonic crystals // J. Magn. Magn. Mater. 2016. V. 415. P. 72–76.
  42. Belyaev V.K., Rodionova V.V., Grunin A.A., Inoue M., Fedyanin A.A. Magnetic field sensor based on magnetoplasmonic crystal // Sci. Rep. 2020. V. 10. P. 1–6.
  43. Murzin D., Mapps D.J., Levada K., Belyaev V., Omelyanchik A., Panina L., Rodionova V. Ultrasensitive magnetic field sensors for biomedical applications // Sensors. 2020. V. 20. P. 1569.
  44. Belyaev V.K., Murzin D.V., Perova N.N., Grunin A.A., Fedyanin A.A., Rodionova V.V. Permalloy-based magnetoplasmonic crystals for sensor applications // J. Magn. Magn. Mater. 2019. V. 482. P. 292–295.
  45. Murzin D.V., Frolov A. Yu., Mamian K.A., Belyaev V.K., Fedyanin A.A, Rodionova V.V. Low coercivity magnetoplasmonic crystal based on a thin permalloy film for magnetic field sensing applications // Opt. Mater. Express. 2023. V. 13. P. 171–178.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载
2. Fig. 1. Schematic view of the cross-section of the sample (a). AFM-image of the sample (top) and its section along the dotted line (bottom) (b). SEM–image of the sample (c). Scheme of the experimental installation (d). L – lamp; PD - field diaphragm; L1 – lens 1; PG – Glan prism; AD – aperture diaphragm; L2 – lens 2; AB – fiber adapter; B – optical fiber; C – spectrometer.

下载 (38KB)
索引源数据
3. Fig. 2. Reflection spectra (black continuous curve – experiment, red dotted curve - calculation), experimental EMEC spectrum (blue curve) at an angle of incidence of θ = 35°, distribution |H| at wavelengths of 740 nm and 830 nm. The dotted curves with arrows on the magnetic field distributions indicate the directions of the electric field intensity vector.

下载 (27KB)
索引源数据
4. Fig. 3. Reflection spectra (black continuous curve — experiment, red dotted curve - calculation), experimental EMEC spectrum (blue curve) at an angle of incidence of θ = 10°, distributions | N | at wavelengths of 675 nm and 820 nm. The dotted curves with arrows on the magnetic field distributions indicate the directions of the electric field intensity vector.

下载 (29KB)
索引源数据
5. Fig. 4. Experimental spectra of absolute modulation of the reflection coefficient ∆R at angles of incidence θ = 10° (black curve) and θ = 35° (red curve).

下载 (17KB)
索引源数据


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».