Ein neuer Typ einer Nichtlinearität dritter Ordnung in magneto-plasmonischen Strukturen

Die Untersuchung nichtlinearer Phänomene in magneto-plasmonischen Wellenleitern ist von großem Interesse, nicht nur wegen ihrer grundlegenden Bedeutung, sondern auch für potenzielle Anwendungen in integrierten nanooptischen Systemen für die Informationsverarbeitung. Kürzlich hat Dr. Joachim Herrmann (MBI) in Zusammenarbeit mit auswärtigen Kooperationspartnern einen neuen Typ einer ultraschnellen Nichtlinearität dritter Ordnung von Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (SPP) in planaren magneto-plasmonischen Strukturen vorausgesagt, die auf dem inversen Faraday-Effekt beruht.

Im Speziellen zeigt die Forschungsgruppe, dass SPPs mit einer longitudinalen Komponente des elektrischen Feldes in einer dünnen magnetischen Schicht durch den inversen Faraday-Effekt (IFE) ein transversales magnetisches Feld erzeugen können und die Rückwirkung dieses Effekts auf die Plasmon-Ausbreitung zu einer ultraschnellen Nichtlinearität dritter Ordnung führt. Die Suszeptibilität der neuen Nichtlinearität übertrifft die des optischen Kerr-Effekts von typischen dielektrischen Materialien um fünf Größenordnungen und die von Gold um zwei Größenordnungen.

In einem mit zirkular polarisiertem Licht bestrahlten magnetischen Material wird eine Magnetisierung längs des Wellenvektors erzeugt. Dieses Phänomen wird als inverser Faraday-Effekt (IFE) bezeichnet. Das Vorzeichen der Licht-induzierten Magnetisierung wird durch die Helizität des einfallenden Lichts bestimmt, und die Magnetisierung verschwindet für linear polarisiertes Licht. Links- und rechts-polarisiertes Licht induziert eine Magnetisierung von entgegengesetztem Vorzeichen.

Während Licht nicht in eine dünne metallische Schicht eindringt, können unter geeigneten Bedingungen Oberflächen-Plasmon-Polaritonen angeregt werden, die sich längs der Oberfläche ausbreiten. Da SPPs eine longitudinale Komponente des elektrischen Feldes besitzen, kann sogar linear polarisiertes einfallendes Licht eine Magnetisierung durch die Plasmonen erzeugen, die durch das einfallende Licht angeregt werden. Die Plasmonen sind jedoch nicht im herkömmlichen Sinn zirkular polarisiert.

Um diesen neuen Typ einer Nichtlinearität zu quantifizieren, wurde von der Gruppe eine analytische Formel für die IFE-bedingte nichtlineare Suszeptibilität von planaren magneto-plasmonischen Strukturen unter Nutzung des Lorentz-Reziprozitäts-Theorem abgeleitet. Die neue IFE-bezogene Nichtlinearität spielt bei der SPP-Ausbreitung eine analoge Rolle wie der optische Kerr-Effekt; sie entsteht jedoch durch einen anderen physikalischen Mechanismus und unterscheidet sich von der des optischen Kerr-Effekts durch ihren Betrag, ihrer Frequenzabhängigkeit und ihrer Abhängigkeit von Materialparametern.

Das Schema einer ferromagnetischen dielektrischen/metallischen Grenzfläche ist in Abb. 1 dargestellt. Die Abhängigkeit des nichtlinearen Ausbreitungskoeffizienten von der Wellenlänge ist in Abb. 2 und die Abhängigkeit der nichtlinearen Phasenverschiebung von der Leistung in Abb. 3 zu sehen.

Magneto-plasmonische Strukturen eröffnen die Möglichkeit für eine neue Klasse von nanooptischen Elementen, die für Schlüsselanwendungen in der Nanoinformationstechnik bedeutsam sind. Diese Ergebnisse können zu vielversprechenden und wichtigen Anwendungen in diesem Gebiet führen.