強磁性金属間化合物を利用した磁気プラズモニック結晶による偏光状態の制御

使用铁磁金属间化合物的磁等离子晶体控制偏振态

• 批准号: 22KJ1894
• 负责人: 東野 真
• 金额: $ 1.47万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ1894/
• 关键词: プラズモニクス; 磁気光学; 表面プラズモン共鳴; 格子共鳴; 金属間化合物

プラズモン共鳴による磁気光学効果の増幅が見られるか否かは、ナノ粒子を構成する材料の種類に依らない。しかし、増幅の程度と外部磁場に対する応答の鋭敏さは、材料の種類に大きく影響される。強磁性金属のナノ粒子は、小さい外部磁場で磁気光学効果を示すが、プラズモン共鳴による増幅効果が材料の光損失によって抑制されるため、現状で確認されている磁気光学効果は小さい。本研究は、適切な材料選択と光学設計によって、プラズモニック材料としての性能と強磁性の共存を実現することで、低磁場で大きな磁気光学効果を示す系の実現を目指す。具体的には、Al-Fe二元系合金で構成される磁気プラズモニック結晶を利用する。2022年度は、電磁場解析を利用したナノ構造の設計とナノ構造転写用のマスターモールド(鋳型)の作製およびAlでの試料試作を中心に行った。具体的な構造として、矩形ナノ粒子からなる周期構造(アレイ)に着目した。矩形ナノ粒子アレイは、周期と矩形ナノ粒子のアスペクト比のそれぞれの値だけでなく、その相対値によっても応答を制御できる。具体的には、周期に占めるナノ粒子の空間充填率によって、表面格子共鳴の交差の形を制御することができる。これは、電磁場解析と、試作したAl矩形ナノ粒子アレイにおいても確認できた。上記に加えて、先行研究との比較という観点から、酸化チタンナノ粒子アレイ上のNi薄膜の磁気光学効果の評価を行った。酸化チタンナノ粒子間の相互作用が、Niによって生じた周辺媒質の非対称な屈折率分布が原因で弱められた結果、磁気光学効果の増幅が殆ど見られなかった。この抑制機構は、本研究で着目しているようなナノ粒子が強磁性を担う系では発生し得ず、新たに本研究を差別化する視点を得ることができた。

是否观察到由等离子体共振引起的磁光效应的放大并不取决于构成纳米颗粒的材料的类型。然而，放大程度和对外部磁场响应的灵敏度很大程度上受到材料类型的影响。铁磁性金属纳米颗粒在较小的外部磁场中表现出磁光效应，但目前确认的磁光效应很小，因为等离子共振引起的放大效应被材料中的光损耗抑制。本研究旨在通过适当的材料选择和光学设计实现等离子体材料性能和铁磁性的共存，从而实现在低磁场下表现出大磁光效应的系统。具体地，使用由Al-Fe二元合金构成的磁等离子体晶体。 2022 年，我们专注于使用电磁场分析设计纳米结构、创建用于纳米结构转移的主模具以及用铝制作样品原型。作为具体结构，我们关注由矩形纳米粒子组成的周期性结构（阵列）。矩形纳米颗粒阵列的响应不仅可以通过矩形纳米颗粒的周期和长宽比各自的值来控制，还可以通过它们的相对值来控制。具体而言，表面晶格共振交点的形状可以通过占据周期的纳米粒子的空间填充率来控制。电磁场分析和原型铝矩形纳米颗粒阵列也证实了这一点。除此之外，我们还从与先前研究比较的角度评估了二氧化钛纳米粒子阵列上的镍薄膜的磁光效应。由于Ni引起的周围介质折射率分布不对称，氧化钛纳米颗粒之间的相互作用减弱，因此几乎没有观察到磁光效应的放大。这种抑制机制不会发生在纳米颗粒负责铁磁性的系统中，例如本研究中重点关注的系统，我们能够获得使这项研究与众不同的新视角。