Uutiset

Uutta kierrettä plasmoniikkaan

Aalto-yliopiston tutkijat ovat löytäneet uuden tavan plasmoniikan ja magneto-optisten ilmiöiden yhdistämiseen.
Hiloihin järjestetyt magneettiset nanohiukkaset saavat valon polarisaation kiertymään: nanohiukkasten välinen etäisyys määrää, mikä valotaajuus (väri) pystyy värähtelemään voimakkaasti hilassa. Valmistamalla hila, jossa etäisyydet ovat eri suuruisia eri suunnissa voidaan saada suuri optinen vaste yhdessä suunnassa tietylle taajuudelle ja samaan aikaan suuri magneto-optinen vaste toiselle taajuudelle toisessa suunnassa. Ilmiö perustuu kvanttimekaaniseen spin-rata kytkentään magneettise...

Tutkijat osoittivat kokeiden avulla, että magneettisten materiaalien järjestäminen nanomittakaavan jaksollisiin hiloihin voi saada aikaan erittäin vahvaa ja hyvin hallittavissa olevaa valon polarisaation muutosta. Tätä havaintoa voidaan käyttää esimerkiksi lisäämään televiestinnässä ja biomittauksissa käytettävien optisten komponenttien herkkyyttä. Tulokset julkaistiin äskettäin Nature Communications -lehdessä.

Valon polarisaation muuttuminen ferromagneettisissa materiaaleissa johtuu kvanttimekaanisista vuorovaikutuksista. Nämä niin sanotut spin-rata vuorovaikutukset saavat aikaan magneto-optisen vasteen, jotka muuttaa valon ominaisuuksia, esimerkiksi sen polarisaatiota. Valon ja aineen väliset vuorovaikutukset ovat erityisen voimakkaita nanomittakaavassa. Plasmoniikkassa tutkitaan valon vuorovaikutusta metallisten nanorakenteiden kanssa, jotka ovat lupaava keino vangita valoa nanomittakaavaan ja siten lisätä sen vuorovaikutusta aineen kanssa.

Nanomittakaavan metallinen nanohiukkanen käyttäytyy hyvin samalla tavoin kuin antenni, mutta näkyvän valon aallonpituuksilla; antennit ovat meille tuttuja monista arkipäivän laitteista, jotka toimivat paljon pidemmillä radio- ja mikroaalloilla. Tutkijat hyödynsivät pintahilaresonanssina tunnettua ilmiötä, jossa kaikki nanohiukkaset eli pienet antennit säteilevät yhdessä eli samassa vaiheessa. Tämä ilmiö saadaan aikaan säätämällä nanoantennien välinen etäisyys vastaamaan tulevan valon aallonpituutta.

Jaksollisissa hiloissa nanohiukkaset vuorovaikuttavat voimakkaasti toistensa kanssa ja sen vuoksi värähtelevät yhtä aikaa. Tämä ilmiö on aiemmin havaittu jalometalleista valmistettujen nanohiukkasten hiloissa, joita on tutkittu jo pitkään Aalto-yliopiston kvanttidynamiikan (Quantum Dynamics) tutkimusryhmässä.

Nyt kvanttidynamiikan ja spintroniikan (NanoSpin) tutkimusryhmien yhteistyönä osoitettiin, että tämä mielenkiintoinen ilmiö voidaan havaita myös magneettisista materiaaleissa valmistetuissa nanohiukkashiloissa. Tutkimus osoitti, että pintahilaresonanssit lisäävät valon polarisaation muutosta eli magneto-optista Kerrin efektiä ferromagneettisissa materiaaleissa.

”Tutkimuksemme tärkein havainto oli se, että taajuus eli valon väri, jossa tämä lisäys tapahtuu, voi olla eri kuin se taajuus, jossa pelkkä optinen vaste on vahvin. Magneto-optisten ja optisten efektien resonanssitaajuuksien erottaminen toteutettiin valitsemalla eri etäisyys hilan kahdessa eri suunnassa olevien nanohiukkasten välille”, selittää professori Päivi Törmä.

Magneettisten materiaalien käyttö ei ollut itsestään selvä valinta. Tähän mennessä ferromagneettisten materiaalien käyttöä plasmoniikassa on rajoittanut niiden suuri resistanssi ja siitä seuraavat häviöt. Tämän vuoksi tähän mennessä havaitut pintaplasmoniresonanssit ovat olleet paljon heikompia kuin jalometalleissa havaitut.  

”Ratkaisimme tämän ongelman järjestämällä nanohiukkaset hiloihin ja hyödyntämällä kollektiivisia resonansseja. Tulos avaa merkittävän uuden suuntauksen valon ja magneettisten materiaalien vuorovaikutuksen tutkimuksessa”, sanoo professori Sebastiaan van Dijken.

Kahdella eri alalla työskentelevän tutkimusryhmän välisestä yhteistyötä saadut hyödyt olivat olennaisen tärkeitä hankkeelle. Tutkimuksen tekijät korostavat, että tällaisen hankkeen toteuttaminen ilman monipuolista tietämystä sekä nanomittakaavan optiikasta että magnetismista olisi ollut mahdotonta. Tutkijoiden innovatiivinen työ luo perustan jatkotutkimuksille ja tulosten hyödyntämiselle sovelluksissa. Tutkimuksessa käytettiin nanovalmistukseen Micronovan puhdastilaa sekä nanomikroskopiakeskuksen elektronimikroskopialaitteita.

Yhteystiedot:

Professori Päivi Törmä
[email protected]
Puh. +358 50 3826770
Kvanttidynamiikan tutkimusryhmä: http://physics.aalto.fi/groups/comp/qd/
Laskennallisen nanotieteen huippuyksikkö, COMP: http://comp.aalto.fi/
Teknillisen fysiikan laitos

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu

  • Julkaistu:
  • Päivitetty:

Lue lisää uutisia

Professor Riikka Puurunen, Professor Patrick Rinke and IT Application Owner Lara Ejtehadian holding sunflowers and diplomas
Palkinnot ja tunnustukset, Kampus, Tutkimus ja taide Julkaistu:

Aallon avoimen tieteen palkintojuhla toi aaltolaisia yhteen keskustelemaan avoimesta tieteestä

Viime viikolla kokoonnuimme A Gridiin juhlimaan Aallon avoimen tieteen palkinnon 2023 saajia ja keskustelemaan avoimesta tieteestä aaltolaisten kanssa.
Three female students studying
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Hae siemenrahoitusta Aallon, KU Leuvenin ja Helsingin yliopiston yhteisille tutkimusprojekteille

Aalto-yliopisto, KU Leuven (Belgia) ja Helsingin yliopisto avaavat tutkimusyhteistyön käynnistämistä tukevan siemenrahoitushaun. Rahoitushaku on käynnissä 10. syyskuuta 2024 asti.
Kestävä digitaalinen arki Turussa, banneri: Minna Vigren.
Mediatiedotteet Julkaistu:

Aikamatka vuoteen 2050 – kestävän digitaalisen arjen teemaviikko levittäytyy Turkuun toukokuun lopussa

Kestävä digitaalinen arki -teemaviikolla 25.5.–2.6. Turussa pohditaan, minkälaista kestävä digitaalinen arki on, miten sitä voisi edistää ja kuvitellaan myös, miltä tulevaisuuden kestävä digitaalinen arki näyttäisi.
White A! logo standing on the ground with A-bloc and Väre in the background.
Tutkimus ja taide, Yliopisto Julkaistu: