Tunable polarization magneto-optical effects at scattering of terahertz radiation on graphene nanoribbon gratings in a magnetic field

Capa

Citar

Texto integral

Resumo

Background. The purpose of the work is a numerical study of the features of resonant (due to the excitation and propagation of plasmonic excitations) polarization magneto- optical (MO) effects and methods for controlling the polarization of THz radiation during scattering on graphene nanoribbon gratings in an external magnetic field. Materials and methods. Graphene is a 2D material with unique optical and electronic properties. It serves as a platform for new THz applications and microminiature systems with new capabilities. Excitation of surface magnetoplasmons-polaritons with a dispersion law changed due to the application of an external magnetic field significantly enhances MO effects in graphene structures. For the first time, a numerical study of polarization MO effects was carried out by automated modeling methods using the CST MWS software package based on the solution (using the finite element method in the frequency domain) of the electrodynamic problem of TEM wave diffraction on a graphene nanoribbon grating with the application of a perpendicular external magnetic field and analysis of the diffracted field characteristics in the THz range. Results. The results of modeling 3D e-Field scattering patterns of a normally incident p-polarized TEM wave on a cell of a graphene nanoribbon grating in a perpendicular external magnetic field at the frequencies of plasmon resonance (at B0 = 0) and magnetoplasmon resonances for different values of B0 (2, 4, 7, 10 T) were obtained. Based on the analysis of the results of calculating the ratio of the horizontal and vertical components Ex/Ey of the diffracted field and the axial ratio AR at the cross-section points (φ = 0°) of the main lobe of the 3D e-Field scattering patterns, the polarization type of the scattered THz radiation was studied and the Faraday rotation angle of the polarization plane of the transmitted wave and the Kerr rotation angle describing the rotation of the polarization axis of the reflected wave were calculated. Conclusions. It follows from the results of the numerical study that at the diffraction of a normally incident TEM-wave with p-polarization on a cell of the graphene nanoribbon grating with the application of a perpendicular external magnetic field at the frequencies of magnetoplasmon resonances frequency-tunable MO-effects are observed: 1) rotation of the polarization plane of a linearly polarized wave transmitting through a magnetized graphene grating, when the wave vector of the incident wave is parallel to the vector of the external magnetic field intensity (Faraday effect), while the Faraday rotation angle depends on the value of the external magnetic field; 2) changes in the orientation of polarization and ellipticity of the reflected wave (polar Kerr MO-effect), a linearly polarized THz wave, reflected from magnetized graphene, becomes elliptically polarized; in this case, the major axis of the polarization ellipse rotates by a certain angle with respect to the plane of polarization of the incident THz radiation proportional to the magnitude of the external magnetic field.

Sobre autores

Galina Makeeva

Penza State University

Autor responsável pela correspondência
Email: radiotech@pnzgu.ru

Doctor of physical and mathematical sciences, professor, professor of the sub-department of radioengineering and radioelectronic systems

(40 Krasnaya street, Penza, Russia)

Mikhail Nikitin

Penza State University

Email: radiotech@pnzgu.ru

Student

(40 Krasnaya street, Penza, Russia)

Bibliografia

  1. Roumi B., Abdi-Ghaleh R. Polar magneto-optical Kerr effect of reflected light from Graphene/InAs/Graphene/Polyimide/Al structure. Superlattices and Microstructures. 2021;158:107021. doi: 10.1016/j.spmi.2021.107021
  2. Zvezdin A.K., Kotov V.A. Modern magnetooptics and magnetooptical materials. Institute of Physics Publishing, 1997:400.
  3. Krinchik G.S. Fizika magnitnykh yavleniy = Physics of magnetic phenomena. Moscow: Izd-vo MGU, 1985:295. (In Russ.)
  4. Chen T., Lu X.-H. Surface Plasmon and Fabry–Perot Enhanced Magneto-Optical Kerr Effect in Graphene Microribbons. Chin. Phys. Lett. 2015;32(2):024204.
  5. Roumi B., Abdi-Ghaleh R. Tunable Magneto-Optical Kerr Effect in Gated Monolayer Graphene in Terahertz Region. Journal of the Physical Society of Japan. 2013;82:074717. doi: 10.7566/JPSJ.82.074717
  6. Chetvertukhin A.V. Resonant magneto-optical Kerr effect in subwavelength twodimensional plasmonic gratings. PhD dissertation. Moscow: MGU, 2018:144. (In Russ.)
  7. Armelles G., Cebollada A., García-Martín A. et al. Magnetoplasmonics: Combining Magnetic and Plasmonic Functionalities. Advanced Optical Materials. 2013;1(1):10‒35. doi: 10.1002/adom.201200011
  8. Loughran T.H.J., Keatley P.S., Hendry E. et al. Enhancing the magneto-optical Kerr effect through the use of a plasmonic antenna. Opt. Express. 2018;26:4738‒4750.
  9. Berger A., de la Osa R.A., Suszka A. et al. Enhanced magneto-optical edge excitation in nanoscale magnetic disks. Phys. Rev. Lett. 2015;115:187403.
  10. Kalish A.N. Magneto-optical effects in periodic nanostructured media. PhD dissertation. Moscow: MGU, 2013. (In Russ.)
  11. Yakir Hadad, Artur R. Davoyan, Nader Engheta et al. Extreme and Quantized Magneto- optics with Graphene Meta-atoms and Metasurfaces. ACS Photonics. 2014;1(10):1068‒1073. doi: 10.1021/ph500278w
  12. Crassee I., Levallois J., Walter A. et al. Giant Faraday rotation in single- and multi-layer graphene. Nature Phys. 2011;7:48–51. doi: 10.1038/nphys1816
  13. Tymchenko M., Nikitin A.Y., Martín-Moreno L. Faraday rotation due to excitation of magnetoplasmons in graphene microribbons. ACS nano. 2013;7(11):9780‒9787.
  14. Poumirol J.M., Liu P., Slipchenko T. et al. Electrically controlled terahertz magnetooptical phenomena in continuous and patterned graphene. Nat. Commun. 2017;8:14626. doi: 10.1038/ncomms14626
  15. Ben Rhouma M., Guizal B., Bonnet P. et al. Semi-analytical model for the analysis of a magnetically biased 1D subwavelength graphene-strip-grating. Opt. Continuum. 2022;1(5):1144‒1156.
  16. Padmanabhan P., Boubanga-Tombet S., Fukidome H. et al. A graphene-based magnetoplasmonic metasurface for actively tunable transmission and polarization rotation at terahertz frequencies. Appl. Phys. Lett. 2020;116:221107. doi: 10.1063/5.0006448
  17. Karimi Khoozani P., Maddahali M. et al. Analysis of magnetically biased graphenebased periodic structures using a transmission-line formulation. J. Opt. Soc. Am. B. 2016;33:2566‒2576.
  18. Makeyeva G.S. Nikitin M.S. Magnetoplasmonic effects in terahertz wave diffraction on magnetically biased graphene metasurfaces. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Fiziko-matematicheskiye nauki = University proceedings. Volga region. Physical and mathematical sciences. 2025;(2):116–133. (In Russ.)
  19. Ferreira A., Viana-Gomes J., Bludov A.H. et al. Faraday effect in graphene enclosed in an optical cavity and the equation of motion method for the study of magneto-optical transport in solids. Phys. Rev. B. 2011;84:235410.
  20. CST Microwave Studio. Available at: https://www.3ds.com/products/simulia
  21. Kurushin A.A. Proyektirovaniye SVCH ustroystv v CST STUDIO SUITE = Design of microwave devices in CST STUDIO SUITE. Moscow, 2016:433. (In Russ.)
  22. Born M., Volf E. Osnovy optiki = Fundamentals of optics. Moscow: Nauka, 1970:720. (In Russ.)
  23. Tamagnone M., Moldovan C., Poumirol J.M. et al. Near optimal graphene terahertz non-reciprocal isolator. Nature Communications. 2016;7:11216. doi: 10.1038/ncomms11216
  24. Mu Q., Fan F., Ji Y. et al. Enhanced terahertz magneto-optical Kerr rotation based on metasurface structure. Optics Communications. 2020;460:125163. doi: 10.1016/j.optcom.2019.125163
  25. Hadad Y., Davoyan A.R., Engheta N. et al. Extreme and Quantized Magneto-optics with Graphene Meta-atoms and Metasurfaces. ACS Photonics. 2014;1(10):1068‒1073. doi: 10.1021/ph500278w

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML


Creative Commons License
Este artigo é disponível sob a Licença Creative Commons Atribuição 4.0 Internacional.

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».