Nichtlinearität 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 Joachim Herrmann vom Max-Born-Institut in Berlin 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. Bei diesem inversen Faraday-Effekt wird das Vorzeichen der Licht-indu­zierten Magne­tisierung 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.

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.

FVB / MBI / JOL