Caracterização magneto-óptica espectral e de ângulo-resolvido de nanoestruturas fotônicas

Modos eletromagnéticos confinados em cristais fotônicos podem surgir de uma variedade de origens diferentes, como ressonâncias plasmon em torno de interfaces metálicas/dielétricas ou ressonâncias mie em alto índice refrativo nanoestruturas dielétricas^1,2,3,e podem ser projetadas para aparecer em frequências especificamente definidas^4,5. Sua presença dá origem a muitos fenômenos fascinantes, como as lacunasbanda fotônica^6,7^,8, forte localização fóton 9 , luz lenta¹⁰ e cones Dirac¹¹. Microscopia de plano fourier e espectroscopia são ferramentas básicas para caracterização de nanoestruturas fotônicas, pois permitem capturar muitas propriedades essenciais de modos confinados que ocorrem neles. Na microscopia espacial Fourier, em oposição à imagem real convencional do plano, a informação é apresentada como função das coordenadas angulares^12,13. É alternativamente conhecido como plano focal traseiro (BFP) imagem como a decomposição angular da luz que emana da amostra é registrada a partir do plano focal de volta do objetivo microscópio. O espectro angular, ou seja, o padrão de emissão de campo distante da amostra está relacionado ao impulso de luz que emana dele(k). Em particular, ele representa o seu impulso no avião (k_x,k_y)distribuição¹⁴.

Em amostras magneto-opticamente ativas, a presença de excitações fotônicas confinadas tem demonstrado resultar em considerável aprimoramento da resposta magneto-óptica^{15,16,17,18,19}. Os efeitos magneto-ópticos dependem da geometria mútua do campo magnético e da radiação eletromagnética incidente. Geometrias magneto-ópticas mais comumente encontradas para luz polarizada linearmente e sua nomenclatura são retratadas na Figura 1. Aqui, demonstramos uma configuração que pode ser usada para explorar dois efeitos magneto-ópticos que são observados em reflexão: efeitos magnético-ópticos transmissíveis e longitudinais kerr, abreviados, respectivamente, como TMOKE e LMOKE. O TMOKE é um efeito de intensidade, onde as refletições dos estados de magnetização opostos são diferentes, enquanto o LMOKE se manifesta como uma rotação do eixo de polarização de luz refletida. Os efeitos são distinguidos pela orientação da magnetização no que diz respeito à incidência de luz, onde para o LMOKE, a magnetização é orientada paralela ao componente plano do vetor de onda da luz, enquanto para o TMOKE é transversal a ela. Para a luz normalmente incidente, ambos os componentes no plano do impulso da luz são nulos (k_x = k_y = 0) e, conseqüentemente, ambos os efeitos são zero. Configurações onde ambos os efeitos estão presentes podem ser facilmente concebidas. No entanto, para simplificar a análise de dados, nesta demonstração limitamo-nos a situações em que apenas um dos efeitos está presente, ou seja, TMOKE.

Várias configurações ópticas podem ser usadas para medir a distribuição angular da luz emitida a partir de cristais magnetofotônicos. Por exemplo, em Kalish et al.²⁰ e Borovkova et al.²¹, tal configuração foi usada com sucesso na geometria da transmissão para desvendar a influência plasmon em fenômenos magneto-ópticos. Como ilustração, em Kurvits et al.^22,algumas configurações possíveis são apresentadas para um microscópio que usa uma lente objetiva corrigida pelo infinito. Em nossa configuração, retratada na Figura 2A,usamos uma lente corrigida pelo infinito, onde a luz proveniente de um determinado ponto da amostra é direcionada pela lente objetiva em feixes colline. Na Figura 2A,feixes emergindo do topo (linhas tracejadas) e do fundo (linhas sólidas) da amostra são descritos esquematicamente. Em seguida, uma lente de coleta é usada para reorientar esses feixes para formar uma imagem no plano de imagem (IP). Uma segunda lente, também conhecida como lente Bertrand, é então colocada após o plano de imagem para separar a luz de entrada em seu plano focal em componentes angulares, retratado na Figura 2A em vermelho, azul e preto. A partir deste plano focal de volta, a distribuição angular da luz emitida pela amostra pode ser medida com uma câmera. Efetivamente, a lente Bertrand realiza uma transformação Fourier no feixe de luz que chega a ele. A distribuição de intensidade espacial no BFP corresponde à distribuição angular da radiação incidente. Um mapa de reflexão recíproca completa do espaço da amostra pode ser estabelecido iluminando a amostra com o mesmo objetivo que é utilizado para coletar a resposta da amostra. As vigas indo e fora são separadas usando um divisor de feixe. A configuração completa é retratada na Figura 3A. Para obter um espectro, uma fonte de luz tunable ou um monochromator são necessários. A medida pode então ser repetida sobre comprimentos de onda diferentes, tendo em mente que, devido ao espectro de fontes de luz padrão, os resultados precisam ser normalizados para a refletividade de uma amostra de controle. Para este fim, pode-se usar um espelho ou uma parte da amostra que foi propositadamente deixada sem padrão para permitir uma alta refletividade. Para auxiliar no posicionamento, mostramos como integrar a configuração com um sistema óptico adicional que permite imagens do espaço real da amostra, mostrada na Figura 2B.

Agora passamos a estabelecer um método para medir o espectro magneto-óptico resolvido angular de um cristal fotônico, usando como uma amostra representativa, uma grade de DVD coberta com um filme Au/Co/Au onde a presença de cobalto ferromagnético dá origem a considerável atividade magneto-óptica²³. A corrugação periódica da grade de DVD permite ressonâncias de polariton plasmon superficial (SPP) em combinações distintas de comprimento de onda-ângulo que são dadas por

onde n é o índice refrativo do ambiente circundante, k₀ o vetor de onda de luz no espaço livre, θ₀ o ângulo de incidência, d a periodicidade da grade e m é um inteiro que denota a ordem do SPP. O vetor da onda do SPP é dado por onde o ε₁ e o ε₂ são os permittivities da camada metálica e do ambiente dielétrico circunvizinho. Devido à espessura do filme multicamada de ouro / cobalto, podemos supor que SPPs só estão animados em cima do filme multicamada.