מגנטו-אופטיים ומשולשים-אפיון של מבנים ננוטוני
Summary
מבנה הלהקה של פוטטון מאפשר להבין כיצד מופצים מצבים אלקטרומגנטיים מוגבלים בתוך גביש פוטוני. בקריסטלים פוטוני המשלבים אלמנטים מגנטיים, מצבים אופטיים כאלה ומוגנטים, מלווים בפעילות מגנטית-אופטית משופרת ושונתה. אנו מתארים הליך מדידה כדי לחלץ את המבנה להקה אופטית מגנטו על ידי מיקרוסקופ חלל פורייה.
Abstract
גבישים photonic הם ננו מבנים תקופתיים שיכולים לתמוך מגוון של מצבים אלקטרומגנטיים סגורים. מצבים כאלה סגורים מלווים בדרך כלל על ידי שיפור מקומי של עוצמת השדה החשמלי המחזק אינטראקציות בחומר האור, המאפשר יישומים כגון פיזור משופרת משטח (SERS) והמשטח הפלשני מוגברת חישה. בנוכחות של חומרים פעילים מגנטו, שיפור השדה המקומי מעניק לפעילות מגנטו-אופטיים חריגה. בדרך כלל, המצבים הסגורים של גביש פוטוני נתון תלוי בחוזקה על אורך הגל ואת זווית השכיחות של האירוע קרינה אלקטרומגנטית. לפיכך, מדידות ספקטרליות וזוויתית מסוימות נחוצות כדי לזהות אותם במלואם, כמו גם כדי לבסס את הקשר שלהם עם פעילות מגנטו-אופטי של הגביש. במאמר זה, אנו מתארים כיצד להשתמש במיקרוסקופ פורייה (מטוס ממוקד) לאפיון דגימות אקטיביות מגניטית. כמערכת מודל, כאן אנו משתמשים בפומפיה פלמונית הבנויה ממגנסטית פעילה מגניטית או מרובת שכונתיות/Au. בניסויים, אנו להחיל שדה מגנטי על הסורגים באתרו ולמדוד את התגובה מרחב הדדית שלה, קבלת תגובה מגנטו אופטי של הסורגים על מגוון של אורכי גל וזוויות האירוע. מידע זה מאפשר לנו לבנות מפה מלאה של מבנה הלהקה הפלמונית של הסורג והזווית ופעילות מגנטו-אופטיים תלויי אורך הגל. שתי התמונות הללו מאפשרות לנו לאתר את ההשפעה שהתהודה של הפלמון משפיעה על התגובה המגנגניאופטית של הפומפיה. הגודל הקטן יחסית של אפקטים מגנטו-אופטיים דורש טיפול קפדני של אותות אופטיים שנרכשו. לשם כך, מונחת פרוטוקול עיבוד תמונה לקבלת תגובה מגנטו-אופטיים מהנתונים הגולמיים שנרכשו.
Introduction
מצבים אלקטרומגנטיים מוגבלים בגבישים פוטוני יכול לנבוע ממגוון של מקורות שונים, כמו פלמון מהדהד סביב ממשקי מתכת/מדידות או מהדהד מ.א. ב. השבירה הגבוהה מדד מבנים ננו 1,2,3, והוא יכול להיות מיועד להופיע על תדרים מוגדרים באופן ספציפי4,5. נוכחותם מעניקה לתופעות מרתקות רבות כגון פערי להקות פוטוני6,7,8, לוקליזציה של פוטון חזק9, אור איטי10 ו איצטרובלים של דיראק11. מיקרוסקופ מישור פורייה וספקטרוסקופיה הם כלים בסיסיים לאפיון ננו-מבנים, כפי שהם מאפשרים לכידת תכונות חיוניות רבות של מצבים סגורים המתרחשים בהם. במיקרוסקופיה פורייה לחלל, בניגוד לדימות מטוס אמיתי קונבנציונאלי, המידע מוצג כפונקציה של קואורדינטות זוויתי12,13. הוא ידוע לחילופין מטוס מוקד בחזרה (BFP) הדמיה כמו הפירוק זוויתי של האור הנובע המדגם נרשם מהמטוס מוקד האחורי של מטרת המיקרוסקופ. הספקטרום הזוויתי, דהיינו, פליטת השדה הרחוקה של המדגם קשורה למומנטום של אור הנובע ממנו (ħk). בפרט, הוא מייצג את המומנטום במישור (kx, ky) התפלגות14.
בדגימות פעילים מגנטו-אופיטים, נוכחות של מוטטים מוגבלים של הרגש הוכח כתוצאה משיפור ניכר של התגובה האופטית של מגנטו15,16,17,18,19. מגנטו-אפקטים אופטיים תלויים בגיאומטריה ההדדית של השדה המגנטי ובמקרה של קרינה אלקטרומגנטית. הנפוצות ביותר שאירעו בעיקר מגנטו-אופטי גיאומטריות לאור מקוטב בצורה בינארית והמינוח שלהם מתוארים באיור 1. כאן, אנו להדגים התקנה כי ניתן להשתמש כדי לחקור שני אפקטים מגנטו-אופטיים הנצפים בהשתקפות: השפעות רוחבי ואורכי מגנטו-אופטי קר, מקוצר, בהתאמה, כמו TMOKE ו LMOKE. TMOKE היא אפקט אינטנסיביות, שבו השתקפות של מדינות מגנטיזציה מנוגדות שונות בעוד LMOKE מתבטא כסיבוב של הציר האור המשתקף משתקף. ההשפעות מובחנים על ידי כיוון המגנטיזציה ביחס לשכיחות האור, שם LMOKE, המגנטיזציה מכוונת במקביל לרכיב המטוס של וקטור הגל של האור תוך TMOKE הוא רוחבי אליו. לאור המקרה הרגיל, הן רכיבי המישור של המומנטום של האור הם null (kx = ky = 0) וכתוצאה מכך, שני האפקטים הם אפס. תצורות שבהן ניתן להציג את שני ההשפעות הן בקלות. עם זאת, כדי לפשט את ניתוח הנתונים, בהפגנה זו אנו מגבילים את עצמנו למצבים שבהם רק אחד ההשפעות קיים, כלומר TMOKE.
תצורות אופטיות אחדות ניתן להשתמש כדי למדוד את התפלגות זוויתי של אור הנפלט גבישים magnetophotonic. לדוגמה, ב קאליש ואח ‘20 ובורבקובה ואח ‘21, מלכודת כזאת הייתה בשימוש מוצלח בגיאומטריה של שידור כדי לחשוף את ההשפעה הפלסטיות על תופעות מגנטו-אופטיות. כאיור, ב Kurvits ואח ‘22, כמה תצורות אפשריות מוצגות עבור מיקרוסקופ המשתמשת בעדשה האובייקטיבי אינסוף מתוקן. בתצורה שלנו, מתוארת באיור 2א, אנו משתמשים בעדשה מתוקנת אינפיניטי שבה האור המגיע מנקודה נתונה במדגם מופנית העדשה האובייקטיבית לתוך הקורות הקולינאריות. באיור 2א, קורות המתעוררים מלמעלה (קווים מקווקווים) והחלק התחתון (קווים אחידים) של המדגם מתוארים ביניהם. לאחר מכן, עדשת איסוף משמשת למקד את הקורות האלה כדי ליצור תמונה במישור התמונה (IP). העדשה השנייה, הידועה גם בשם ברטרנד עדשה, ממוקם לאחר מכן לאחר מטוס התמונה להפריד את האור הנכנס במישור המוקד שלה לתוך רכיבים זוויתי, מתואר באיור 2א באדום, כחול ושחור. מתוך מטוס מוקד אחורי זה, התפלגות זוויתית של האור הנפלט על ידי המדגם ניתן למדוד עם מצלמה. באופן יעיל, העדשה ברטרנד מבצעת התמרת פורייה על קרן האור המגיעה אליו. התפלגות העוצמה המרחבית ב-BFP תואמת להתפלגות הזוויתית של קרינת האירוע. מרחב הדדי מלא השתקפות ההשתקפות של המדגם ניתן להקים על ידי הארת המדגם עם מטרה זהה המשמש לאיסוף התגובה של המדגם. קורות התאורה הנכנסות והחוצה מופרדות באמצעות מפצל קרן. הכיוונון המלא מתואר באיור 3א. כדי להשיג ספקטרום, יש צורך במקור אור הניתן להשגה או במונכרומאטור. לאחר מכן ניתן לחזור על המדידה באמצעות אורכי גל שונים, ולזכור שבגלל הספקטרום של מקורות האור הסטנדרטיים, התוצאות צריכות להיות מנורמלות להשתקפות של דגימת בקרה. למטרה זו, ניתן להשתמש במראה או בחלק מהדוגמה שנותרה במתכוון ללא תבנית כדי לאפשר השתקפות גבוהה. כדי לסייע במיקום, אנו מראים כיצד לשלב את הכיוונון עם מערכת אופטית נוספת המאפשרת הדמיה של מרחב אמיתי של המדגם, המוצגת באיור 2ב.
כעת אנו ממשיכים להקים שיטה למדידת ספקטרום של מגנטו-אופטי זוויתי של גביש פוטטון, שימוש כדוגמה מייצגת, פומפיה DVD מכוסה בסרט Au/Co/Au שבו הנוכחות של קובלט ferromגנטית מעניקה עלייה לפעילות מגנטו-אופטי ניכרת23. הגלי המחזורית של ה-DVD פומפיה מאפשר משטח פלמון polariton (SPP) מהדהד בצירופים שונים באורך הגל-זווית הניתנים על ידי
כאשר n הוא מדד השבירה של הסביבה הסובבת, k0 וקטור הגל של אור בחלל החופשי, θ0 זווית השכיחות, d תקופתיות של פומפיה ו – m הוא מספר שלם המציין את הסדר של spp. וקטור גל SPP ניתן על ידי 
שם ε1 ו- ε2 הם הפרמידות של השכבה מתכתי הסביבה מדידות סביב. בשל העובי של הסרט הזהב/קובלט רב שכבתי, אנו יכולים להניח כי spps הם נרגשים רק על גבי הסרט רובת שכבות.
Protocol
Representative Results
Discussion
הצגנו הגדרת מדידה ופרוטוקול כדי לקבל זוויתי נפתר מגנטו-אופטי ספקטרום של קריסטלים אופטיים. במיוחד, במקרה של חומרים פרומגנטיים, המחייב ניתוח נתונים נוסף לחשבון של חדירות לא לינאריות של החומר, הונחו. זוויתי נפתרה מגניסקופיית אופטי מציג יתרון נוסף על פני שיטות שאינן פתורות פתורים כי המצבים ה?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מכירים את התמיכה הפיננסית על ידי Ministerio de אקונוניה ספרדית מתחרות אבא דרך פרוייקטים MAT2017-85232-R (AEI/פדר, UE), סוברו, אוצ’ואה (צב-2015-0496) ועל ידי הגנרל לטאת דה קטלוניה (2017, SGR 1377), על ידי CNPq – ברזיל, ועל ידי האיחוד האירופי (מארי Skłodowska-קירי אם הדגשה-DLV-748429).
Materials
| Beam splitter | Thorlabs | BSW27 | |
| Bertrand lens | Thorlabs | LA1608 | f = 75 mm |
| CCD Camera | Thorlabs | 1500M-GE-TE | Camera for real space imaging |
| Collecting lens | Thorlabs | ITL200 | f = 200 mm |
| Collimating lens | Zeiss | 420640-9800 | Magnification 10x NA 0.3 |
| Flip mirror | Thorlabs | CCM1-P01/M | |
| Flip mirror mount | Thorlabs | FM90/M | |
| L1-lens | Thorlabs | LA1986 | f = 125 mm |
| L2-lens | Thorlabs | LA1461 | f = 250 mm |
| Objective lens | Nikon | MUE10500 | Magnification 50x NA 0.8 |
| Pinhole | Thorlabs | ID8/M | |
| Polarizer | Thorlabs | GTH10M | For LMOKE measurements, two polarizers are needed |
| sCMOS camera | Andor | ZYLA-4.2P-USB3 |
References
- Bayer, M., et al. Optical Modes in Photonic Molecules. Physical Review Letters. 81 (12), 2582-2585 (1998).
- Blanco, A., et al. Large-scale synthesis of a silicon photonic crystal with a complete three-dimensional bandgap near 1.5 micrometres. Nature. 405 (6785), 437 (2000).
- Rybin, M. V., et al. High-Q Supercavity Modes in Subwavelength Dielectric Resonators. Physical Review Letters. 119 (24), 243901 (2017).
- Joannopoulos, J. D., Villeneuve, P. R., Fan, S. Photonic crystals. Solid State Communications. 102 (2), 165-173 (1997).
- Englund, D., Fushman, I., Vuckovic, J. General recipe for designing photonic crystal cavities. Optics Express. 13 (16), 5961-5975 (2005).
- Yablonovitch, E. Inhibited Spontaneous Emission in Solid-State Physics and Electronics. Physical Review Letters. 58 (20), 2059-2062 (1987).
- Yablonovitch, E. Photonic band-gap structures. JOSA B. 10 (2), 283-295 (1993).
- Noda, S., Tomoda, K., Yamamoto, N., Chutinan, A. Full Three-Dimensional Photonic Bandgap Crystals at Near-Infrared Wavelengths. Science. 289 (5479), 604-606 (2000).
- John, S. Strong localization of photons in certain disordered dielectric superlattices. Physical Review Letters. 58 (23), 2486-2489 (1987).
- Krauss, T. F. Slow light in photonic crystal waveguides. Journal of Physics D: Applied Physics. 40 (9), 2666-2670 (2007).
- Huang, X., Lai, Y., Hang, Z. H., Zheng, H., Chan, C. T. Dirac cones induced by accidental degeneracy in photonic crystals and zero-refractive-index materials. Nature Materials. 10 (8), 582-586 (2011).
- Wagner, R., Heerklotz, L., Kortenbruck, N., Cichos, F. Back focal plane imaging spectroscopy of photonic crystals. Applied Physics Letters. 101 (8), 081904 (2012).
- Zhang, D., et al. Back focal plane imaging of directional emission from dye molecules coupled to one-dimensional photonic crystals. Nanotechnology. 25 (14), 145202 (2014).
- Vasista, A. B., Sharma, D. K., Kumar, G. V. P. Fourier Plane Optical Microscopy and Spectroscopy. Digital Encyclopedia of Applied Physics. , 1-14 (2019).
- Belotelov, V. I., Doskolovich, L. L., Zvezdin, A. K. Extraordinary Magneto-Optical Effects and Transmission through Metal-Dielectric Plasmonic Systems. Physical Review Letters. 98 (7), 077401 (2007).
- Belotelov, V. I., et al. Enhanced magneto-optical effects in magnetoplasmonic crystals. Nature Nanotechnology. 6 (6), 370 (2011).
- Chetvertukhin, A. V., et al. Magneto-optical Kerr effect enhancement at the Wood’s anomaly in magnetoplasmonic crystals. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 324 (21), 3516-3518 (2012).
- Kataja, M., et al. Surface lattice resonances and magneto-optical response in magnetic nanoparticle arrays. Nature Communications. 6, 7072 (2015).
- Kataja, M., et al. Hybrid plasmonic lattices with tunable magneto-optical activity. Optics Express. 24 (4), 3652-3662 (2016).
- Kalish, A. N., et al. Magnetoplasmonic quasicrystals: an approach for multiband magneto-optical response. Optica. 5 (5), 617-623 (2018).
- Borovkova, O. V., et al. TMOKE as efficient tool for the magneto-optic analysis of ultra-thin magnetic films. Applied Physics Letters. 112 (6), 063101 (2018).
- Kurvits, J. A., Jiang, M., Zia, R. Comparative analysis of imaging configurations and objectives for Fourier microscopy. JOSA A. 32 (11), 2082-2092 (2015).
- Cichelero, R., Oskuei, M. A., Kataja, M., Hamidi, S. M., Herranz, G. Unexpected large transverse magneto-optic Kerr effect at quasi-normal incidence in magnetoplasmonic crystals. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 476, 54-58 (2019).
- Cichelero, R., Kataja, M., Campoy-Quiles, M., Herranz, G. Non-reciprocal diffraction in magnetoplasmonic gratings. Optics Express. 26 (26), 34842-34852 (2018).
- Melo, L. G. C., Santos, A. D., Alvarez-Prado, L. M., Souche, Y. Optimization of the TMOKE response using the ATR configuration. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 310 (2, Part 3), e947-e949 (2007).
- Regatos, D., Sepúlveda, B., Fariña, D., Carrascosa, L. G., Lechuga, L. M. Suitable combination of noble/ferromagnetic metal multilayers for enhanced magneto-plasmonic biosensing. Optics Express. 19 (9), 8336-8346 (2011).
- Polisetty, S., et al. Optimization of magneto-optical Kerr setup: Analyzing experimental assemblies using Jones matrix formalism. Review of Scientific Instruments. 79 (5), 055107 (2008).
- Sato, K. Measurement of Magneto-Optical Kerr Effect Using Piezo-Birefringent Modulator. Japanese Journal of Applied Physics. 20 (12), 2403 (1981).
