Uutta kierrettä plasmoniikkaan

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