Caratterizzazione magneto-ottica spectrale e sistemata con angolo di nanostrutture fotoniche

I modi elettromagnetici confinati nei cristalli fotonici possono derivare da una varietà di origini diverse, come le risonanze di plasmoniche intorno alle interfacce metallo/dielettriche o le risonanze Mie in nanostrutture dielettriche ad alto indice refrattivo^1,2,3e possono essere progettate per apparire a frequenze specificamente definite^4,5. La loro presenza dà origine a molti fenomeni affascinanti come le lacune delle bande fotoniche^6,7,8, forte localizzazione fotonica⁹, luce lenta¹⁰ e coni Dirac¹¹. La microscopia e la spettroscopia piani a quattro sono strumenti di base per la caratterizzazione delle nanostrutture fotoniche in quanto consentono di acquisire molte proprietà essenziali delle modalità confinate che si verificano in esse. Nella microscopia spaziale di Fourier, a differenza dell’imaging reale tradizionale del piano, le informazioni sono presentate come funzione delle coordinate angolari^12,13. È alternativamente noto come imaging del piano focale posteriore (BFP) poiché la decomposizione angolare della luce emanata dal campione viene registrata dal piano focale posteriore dell’obiettivo del microscopio. Lo spettro angolare, cioè il modello di emissione di campo lontano del campione è legato allo slancio della luce che emana da esso (.. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . In particolare, rappresenta la sua distribuzione in piano (k_x,k_y)¹⁴.

Nei campioni magneto-otticamente attivi, è stata dimostrata la presenza di eccitazioni fotoniche confinate che si traducono in un notevole miglioramento della risposta magneto-ottica^15,16,17^,18,19. Gli effetti magneto-ottici dipendono dalla geometria reciproca del campo magnetico e dalla radiazione elettromagnetica incidente. Le geometrie magneto-ottiche più comunemente riscontrate per la luce linearmente polarizzata e la loro nomenclatura sono rappresentate nella Figura 1. Qui, dimostriamo una configurazione che può essere utilizzata per esplorare due effetti magneto-ottici che si osservano nella riflessione: gli effetti magneto-ottici incrociati e longitudinali, abbreviati, rispettivamente, come TMOKE e LMOKE. Il TMOKE è un effetto di intensità, in cui le riflessivi degli stati di magnetizzazione opposti sono diverse mentre LMOKE si manifesta come una rotazione dell’asse di polarizzazione della luce riflesso. Gli effetti si distinguono per l’orientamento della magnetizzazione rispetto all’incidenza della luce, dove per LMOKE, la magnetizzazione è orientata parallelamente alla componente in piano del vettore d’onda della luce mentre per TMOKE è trasversale ad essa. Per la luce normalmente incidente, entrambi i componenti in piano dello slancio della luce sono nulli (k_x – k_y – 0) e, di conseguenza, entrambi gli effetti sono zero. Le configurazioni in cui sono presenti entrambi gli effetti possono essere facilmente concepite. Tuttavia, per semplificare l’analisi dei dati, in questa dimostrazione ci limitiamo a situazioni in cui è presente solo uno degli effetti, vale a dire TMOKE.

Diverse configurazioni ottiche possono essere utilizzate per misurare la distribuzione angolare della luce emessa dai cristalli magnetofotonici. Ad esempio, in Kalish et al.²⁰ e Borovkova et al.²¹, tale configurazione è stata utilizzata con successo nella geometria di trasmissione per svelare l’influenza del plasmon sui fenomeni magneto-ottici. A esempio, in Kurvits et al.²², alcune possibili configurazioni sono presentate per un microscopio che utilizza una lente obiettivo infinito corretto. Nella nostra configurazione, illustrato in Figura 2A, usiamo una lente a scopo infinito corretta in cui la luce proveniente da un determinato punto del campione è diretta dalla lente obiettivo in fasci collineari. Nella Figura 2A, le travi che emergono dall’alto (linee tratteggiate) e dalla parte inferiore (linee continue) dell’esempio sono illustrate in modo schematico. Quindi, un obiettivo di raccolta viene utilizzato per rifocalizzare questi raggi per formare un’immagine sul piano dell’immagine (IP). Una seconda lente, nota anche come lente Bertrand, viene quindi posizionata dopo il piano dell’immagine per separare la luce in entrata sul suo piano focale in componenti angolari, raffigurata nella Figura 2A in rosso, blu e nero. Da questo piano focale posteriore, la distribuzione angolare della luce emessa dal campione può essere misurata con una telecamera. In effetti, l’obiettivo Bertrand esegue una trasformazione di Fourier sul fascio di luce che arriva ad esso. La distribuzione dell’intensità spaziale al BFP corrisponde alla distribuzione angolare della radiazione incidente. Una mappa di riflessione dello spazio reciproco completa del campione può essere stabilita illuminando il campione con lo stesso obiettivo utilizzato per raccogliere la risposta del campione. Le travi in entrata e in uscita sono separate utilizzando uno splitter trave. La configurazione completa è illustrata nella Figura 3A. Per ottenere uno spettro, è necessaria una fonte di luce regolabile o un monocromatore. La misurazione può quindi essere ripetuta su diverse lunghezze d’onda, tenendo presente che a causa dello spettro delle sorgenti luminose standard, i risultati devono essere normalizzati alla riflettività di un campione di controllo. A questo scopo, si può usare uno specchio o una parte del campione che è stata volutamente lasciata senza motivo per consentire un’elevata riflettività. Per facilitare il posizionamento, viene illustrato come integrare l’installazione con un sistema ottico aggiuntivo che consente l’imaging nello spazio reale del campione, illustrato nella Figura 2B.

Ora procediamo a stabilire un metodo per misurare lo spettro magneto-ottico risolto angolare di un cristallo fotonico, utilizzando come campione rappresentativo, una griglia DVD coperta da una pellicola Au/Co/Au dove la presenza di cobalto ferromagnetico dà luogo a una notevole attività magneto-ottica²³. La corrugazione periodica della griglia DVD consente risonanze di polarizione del plasmonon di superficie (SPP) a combinazioni di lunghezza d’onda e angolo d’onda

dove n è l’indice di rifrazione dell’ambiente circostante, k₀ il vettore d’onda della luce nello spazio libero,_{l’angolo di} incidenza, d la periodicità della griglia e m è un numero intero che indica l’ordine dell’SPP. Il vettore d’onda SPP è dato da dove sono i permessi dello strato metallico e dell’ambiente dielettrico circostante. A causa dello spessore della pellicola multistrato oro/cobalto, possiamo supporre che gli SPP siano eccitati solo in cima al film multistrato.