С помощью эффекта Гуса-Хенхен. Исследователи МГУ Физики МГУ предложили метод управления светом

Физики с кафедры нанофотоники физического факультета МГУ придумали метод модуляции пространственного распределения интенсивности света, обусловленного эффектом Гуса-Хенхен в магнитоплазмонном кристалле, с помощью приложения магнитного поля. На основе данной разработки возможно создать компактные магнитооптические устройства и сенсоры для применения в нанофотонике.

Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ № 20–12–00389, опубликованы в журнале Q1 «ACS Photonics».

Магнитооптические эффекты, к числу которых относят эффекты Фарадея и Керра, подразумевают изменение интенсивности, поляризации и фазы света при взаимодействии с намагниченными материалами. На их основе возможно реализовать модуляторы интенсивности и поляризации света, использующиеся как изоляторы и циркуляторы в волоконно-оптических линиях связи, а также создавать другие не менее важные устройства.

Величина магнитооптических эффектов Фарадея и Керра ограничена малой магнитооптической активностью материалов. С увеличением размеров магнитного материала эффект Фарадея растет, но это ограничивает его применение в компактных чипах. Для преодоления этих проблем разрабатывают миниатюризированные магнитооптические элементы на основе различных нанофотонных структур, обладающих оптическими резонансами.

В работе использовались магнитоплазмонные кристаллы — периодически наноструктурированные поверхности никеля с характерным периодом около 600 нм и глубиной модуляции около 100 нм. При освещении таких структур в них могут возникать поверхностные волны, представляющие собой связанные колебания электромагнитного поля и свободных электронов, называемые поверхностными плазмон-поляритонами.

Сильная локализация электромагнитного поля увеличивает время взаимодействия света с магнитной средой, и за счет этого растет величина магнитооптических эффектов. Ранее в работах по усилению магнитооптических эффектов с помощью поверхностных плазмонов не рассматривалась пространственная структура отраженного или прошедшего пучка света, которая может быть существенно модифицирована за счет наличия эффекта Гуса-Хенхен.

По обычным законам геометрической оптики падающий пучок должен отразиться от точки падения, но на самом деле это не так — из-за того, что свет проникает вглубь поверхности и высвечивается в другой точке. Смещение отраженного пучка по сравнению с положением, определяемым законом геометрической оптики, и называется эффектом Гуса-Хенхен, открытым еще в 1947 г. При отражении света от поверхности эффект очень маленький — порядка одной длины волны излучения (несколько сотен нанометров), а при возбуждении поверхностных плазмонов он может быть значительно усилен (до нескольких десятков и сотен микрон).

Можно даже увидеть глазом смещение пучка. Эффект Гуса-Хенхен вызывает перераспределение энергии света: возникают два пространственных максимума интенсивности отраженного света: нерезонансный (несмещенный), связанный с обычным отражением света, и резонансный (смещенный), связанный с возбуждением поверхностных плазмонов. В результате получается неоднородное по пространству распределение интенсивности, которое очень чувствительно к внешним воздействиям. На это распределение можно повлиять с помощью приложения магнитного поля.

В данной работе нам удалось повлиять магнитным полем на пространственное распределение интенсивности отраженного света, наблюдаемого при эффекте Гуса-Хенхен в никелевом магнитоплазмонном кристалле.Модуляция интенсивности носила неоднородный характер, проявляющийся в виде резкого максимума, который располагался между двумя пиками интенсивности отраженного света, обусловленных эффектом Гуса-Хенхен. Величина модуляции значительно превышала интегральные изменения интенсивности, не учитывающие пространственную структуру отраженного пучка.

• Александр Фролов, научный сотрудник кафедры нанофотоники физического факультета МГУ

Оказалось, что в некоторых пространственных точках величина эффекта превышала обычную (интегральную) в эксперименте в 2.5 раза. Такое существенное превышение связано с наличием пространственных областей, где локализация электромагнитного поля значительно усиливается за счет поверхностных плазмонов. Эффект Гуса-Хенхен позволил найти и пространственно визуализировать эти положения. Это открывает дорогу к созданию более эффективных и компактных модуляторов интенсивности света и оптических сенсоров.

• Андрей Федянин, — прокомментировал заведующий кафедрой нанофотоники физического факультета МГУ

Изображение: МГУ