等離激元共振增強的全光磁操控

導讀

在過去的二十多年中,透過超快鐳射實現對磁性材料的操控引起了廣泛的興趣。它不僅提供了研究自旋,電子,聲子和光子之間複雜相互作用的一個平臺,其研究成果也可能極大地提升未來資料儲存的速度。最近,美國東北大學劉詠民教授的課題組將表面等離激元學與全光磁操控相結合,首次系統研究了等離激元共振對降低全光磁操控所需鐳射能量閾值的影響。該項工作近日以「All-Optical Manipulation of Magnetization in Ferromagnetic Thin Films Enhanced by Plasmonic Resonances」為題在Nano Letters上發表 [1]。

研究背景

等離激元技術的快速發展已經引發了多種領域的研究熱潮,例如生物傳感 [2,3]、能源 [4,5]、等離激元誘導的熱載流子 [6]、超材料 [7]以及熱輔助磁記錄技術 [8,9]。在熱輔助磁記錄技術中,我們可以利用等離激元奈米天線等結構來增強磁記錄介質中的光熱效應,然後施加外部磁場將資料儲存在加熱的區域內。到目前為止,該技術實現了密度高達1PB(1 PB = 1024 TB = 250 位元組)每平方米的資料儲存。類似的等離激元奈米結構也可以被用於全光磁操控的領域。在該方案中,我們不再需要傳統的外加磁場,而是透過超快鐳射直接控制材料的磁性。因此,相對於目前的磁儲存技術,我們可實現寫入速度數量級上的提升。除了儲存密度和寫入速度外,能量消耗對於磁儲存而言同樣重要,而等離激元在這方面的作用尚未被系統探索。

創新研究

劉教授的團隊近期發現並報道了透過在鐵磁性材料頂部覆蓋一層金薄膜可以極大幫助實現旋光方向依賴的全光磁操控(all-optical helicity-dependent switching, AO-HDS) [10]。做為之前研究的進一步拓展,在Nano Letters這項工作中劉教授的團隊將樣品表面覆蓋的金薄膜製造成金奈米島結構,並詳細觀測和分析了等離激元在鐵磁性材料的全光磁操控中的作用。研究結果表明,透過將金奈米島集成到鐵磁性材料上,鐵磁性材料中的局部電磁場可以得到增強,從而降低了全光磁操控所需的鐳射閾值功率。對比等離激元的共振態與非共振態,降低達到18.5%。數值模擬結果顯示出鐵磁性材料中的電場強度增強了17.0%,與實驗觀察到的功率閾值降低一致。同時,該工作中採用的金奈米島結構透過退火工藝製造,易於實現低成本的大面積製造。

圖文速覽

圖一(a)表示AO-HDS的實驗示意圖。右旋光()和左旋光()入射在混合金屬-鐵磁性材料上,會產生確定且可逆的磁性翻轉。藍色和紅色的箭頭分別代表向上()和向下()的磁性。圖一(b)顯示了vibrating sample magnetometer (VSM)測量的結果。透過對比平行和垂直於樣品平面方向的VSM資料,可知樣品具有垂直方向的磁各向異性。鐳射與磁性材料的作用結果可以透過磁光克爾效應(magneto-optical Kerr effect, MOKE)顯微鏡觀察得到。在圖一(c-e)中,白色和黑色區域分別對應著磁性向上()和向下()的區域。當圓偏振光入射到混合金屬-鐵磁性材料的表面時,鐳射會穿透頂層的金薄膜,並引起鐵磁性材料中的光熱和光磁作用,進而產生明顯且可逆的磁性翻轉,這使寫入和擦除任意磁性單元變得可能。標誌「NU」(代表「Northeastern University」)的寫入和擦除可以透過改變光的偏振方向實現。字母「N」(「U」)是使用左旋光(右旋光)在最初向上(下)的磁性區域掃描得到的。透過改變入射光的偏振,我們可以完全擦除寫入的「N」和「U」標誌。該結果清楚地證明了金屬-鐵磁性材料中顯著的AO-HDS效應。

圖一. (a)金屬-鐵磁性材料中實現旋光方向依賴的全光磁操控(AO-HDS )的示意圖。右旋光()和左旋光()可以確定性地反轉磁性。(b)VSM測量結果顯示樣品具有垂直方向的磁各向異性。(c–e)以使用圓偏振光寫入和擦除「NU」標誌(表示「Northeastern University」)為例介紹AO-HDS效應。c)字母「N」(「U」)由左旋光(右旋光)在初始的)磁性區域上寫入。(d)字母「N」被右旋光擦除。(e)字母「U」被左旋光擦除。

在研究了金薄膜對於全光磁操控的作用後,劉教授的團隊將金薄膜製造成為金奈米島結構,並研究了等離激元共振對於降低全光磁操控中所需鐳射能量閾值的影響。如圖二(a)所示,樣品的整體結構可以認為是金屬-介電質-金屬結構,其已被廣泛採用於實現完光的完美吸收。當等離激元共振發生時,鐵磁性材料中的電磁場得到增強。因此,實現全光磁操控所需的鐳射功率將減少。圖二(b)顯示了樣品和標尺的照片。金奈米島的掃描電子顯微鏡圖像如圖二(c)所示。金奈米島的形狀和大小是隨機的,因此可以得到均勻且相對寬頻的等離激元共振。圖二(d)展示了樣品的磁光克爾效應顯微鏡圖像,其中白色和黑色區域分別對應於磁性向上和向下的區域。

圖二.(a)等離激元共振增強的全光磁操控示意圖。等離激元共振可以增強鐵磁性材料中的電磁場強度,進而降低了實現全光磁操控所需的鐳射功率閾值。(b)樣品和標尺(單位長度為1 mm)的照片。(c)金奈米島結構的掃描電子顯微鏡圖像。(d)樣品的磁光克爾效應顯微鏡圖像。

圖三表示等離激元共振增強的全光磁操控的實驗結果。研究者測量了共振態和非共振態實現全光磁操控所需的最小鐳射功率。圖三(a,b)顯示了共振態和非共振態在鐳射功率逐漸增加情況下的掃描結果。當鐳射工作在606 nm波長時,等離激元處於共振態,全光磁操控可以在44.9 mW的功率下實現。當鐳射工作在505 nm波長時,等離激元處於非共振態,全光磁操控需要55.4 mW的功率才可以實現。研究者在樣品上隨機選取了6個位置進行重複測量,得到了相似的結果。對於共振態,實現全光操控所需的平均閾值為45.0 mW。對於非共振態,實現全光操控的平均閾值為55.2 mW。從這些資料可知,實現全光磁操控的閾值功率降低了18.5%。研究者進一步繪製了鐳射掃描結果與橫截面軸的關係,如圖三(c,d)所示。對於兩種波長,當鐳射功率低於閾值時,全光磁操控不能實現。當鐳射功率增加到大於閾值的時候,將在曲線中產生波谷形狀的信號。

圖三. 使用(a)606 nm(共振態)和(b)505 nm(非共振態)波長不同功率的鐳射進行掃描後樣品的磁光克爾效應圖像。(c,d)共振態和非共振態實驗結果的橫截面圖。

為了解釋實驗觀察到的現象,研究者利用COMSOL Multiphysics模擬了樣品中的電磁場分佈。如圖四(a)所示,仿真隨機選取了樣品上的6個區域。圖四(b)是仿真得到的金奈米島層的歸一化電場強度。透過對比共振態和非共振態,可以清楚地觀察到在共振波長,樣品整體具有較高的電場強度。仿真結果同時顯示等離激元奈米結構可產生局部電磁波增強,未來可應用於實現高密度的全光磁儲存。研究者進一步分析了鐵磁性材料中的歸一化電場強度。對比共振態和非共振態,鐵磁性材料中的電場強度增加了17%,這與實驗中觀察到的18.5%閾值功率降低相吻合。

圖四. (a)金奈米島結構的掃描電子顯微鏡圖像,從中隨機選擇6個區域(A-F)進行數值模擬(每個區域的大小為150 nm×150 nm)。(b)仿真得到金奈米島層在606 nm和505 nm波長下的歸一化電場強度。透過比較共振態和非共振態,可以明顯觀察到局域場增強效應。

總 結

在這項工作中,研究者提出了利用等離激元共振降低全光磁操控能耗的方法。該研究中的金奈米島結構透過退火工藝製成,因此適合於低成本和大規模生產。該工作實驗測得全光磁操控的功率降低了18.5%。仿真結果顯示出鐵磁性材料中的電場強度提升了17.0%,這與實驗觀察到的功率降低相吻合。該工作表明等離激元奈米結構具有實現低功耗、高密度和高速度的全光磁資料儲存的潛能。

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