Theoretical and Experimental Study of Novel Integrated Non-Reciprocal Magnetoplasmonic Nanostructures.

Abstract

This work studies the enhancement of the transverse magneto-optical Kerr effect by exploiting extraordinary resonances occurring in 1D periodic grating. The 1D periodic gold grating structure was designed, described, numerically simulated and fabricated. A rigorous CoupledWave Algorithm (RCWA) developed for parallel computing is used for the theoretical study of resonant modes in magnetoplasmonic gratings and for analysis of optical and magneto-optical data measured by Mueller matrix ellipsometry. The impact of coupling between Fabry-Perot modes inside grating air-gaps and surface plasmon mode at the interface between gold and MO garnet layer is studied via spectra of specular reflectivity and for the various angles of incidence. In a first step, the optical functions of the (CaMgZr)-doped gallium-gadolinium garnet (sGGG) substrate and the Bisubstituted gadolinium iron garnet (Bi :GIG) are obtained in the spectral range from 0.73 eV to 6.42 eV (wavelength range 193 nm – 1.7 μm). Subsequently, the spectra of the magneto-optical tensor components are obtained by applying an external in-plane magnetic field in longitudinal and transverse geometry. The obtained functions are then used for numerical simulations demonstrating that by hybridization of surface and cavity resonances in this 1D plasmonic grating, the transverse Kerr effect can be further enhanced, extinguished or even switched in sign and that without inverting or modifying the film’s magnetization. To confirm theoretical results a set of samples, gratings with a different width of an air-gap, was fabricated using electron beam lithography and liftoff technique. To be able to reproduce Mueller matrix data from the samples, the models describing realistic structures were further developed and optimized. Experimental measurements of real structures confirm transverse MO effect enhancement using magnetoplasmonic effects and prove applicability of numerical models.

Tato práce je zaměřena na studium zesílení transversánního magnetooptického Kerrova jevu pomocí resonančních módůu v jednodimenzionální (1D) periodické mřížce. Studovaná struktura sestává ze zlaté mřížky na dielektrickém substrátu tvořenám magnetooptickým granátem. Dva základní typy resonančních módůu, resonance ve vzduchové kavitě mřížky a resonance povrchového plasmonu na rozhraní mezi zlatem a magnetooptickým granátem, jsou studovány samostatně a posléze je analyzován vliv jejich interakce na optickou a magnetooptickou odezvu. Optická a magnetooptická odezva je studována pomoci spekter spekulární reflektivity pro p-polarizovanou vlnu. Magnetoplasmonická struktura byla teoreticky studována prostřednictvím numerických simulací a posléze byl navrhnut a vyroben soubor vzorků pro experimentální optická a magnetooptická měření.Pro numerické simulace byl implementován algoritmus vázaných vln (Rigorous CoupledWave Algorithm, RCWA) pro 1D periodické systémy, který byl paralelizován pro spektrální úlohy. Experimentální optická a magnetooptická data byla získána pomocí spektroskopické elipsometrie Muellerových matic ve spektrálním rozsahu 0.73-6.42 eV (193 nm-1.7 μm). Elipsometrie Muellerových matic byla rovněž použita pro určení optických funkcí použitých materiálů. Pro substrát byl použit galium-gadoliniový granát dopovaný pomoci Ca, Mg a Zr. Na substrátu byla připravena vrstva magnetooptického, Bi-substituovaného gadolinium - železitého granátu (Bi:GIG). V dalším kroce bylo na vrstvu magnetooptického granátu (Bi:GIG) na sGGG substrátu aplikováno vnější magnetické pole v transvezální a longitudinální magnetooptické konfiguraci a byly určeny magnetooptické funkce. Takto získané materiálové parametry jsou použity v numerických simulacích. Podrobnou analýzou je předvedeno ovlivnění interakce mezi plasmonovým módem a módem v kavitě mřížky změnou geometrických parametru mřížky. Následně je analyzován vliv interakce na transversální magnetooptickou odezvu a je demonstrován proces zesílení, ztlumení nebo dokonce změny znaménka Kerrova transversálního magnetooptikého jevu aniž by byla změněna magnetizace. Pro potvrzení teoretických výsledků byl navrhnut soubor vzorků s rozdílnou šířkou vzduchové mezery. Vzorky byly vyrobeny elektronovou litografií a procesem liftoff. Pro vyrobené vzorky byl vyvinut teoretický model, který byl následnou numerickou optimalizací fitován na experimentální optická data, čímž byl získán model věrně popisující optickou aktivitu vyrobených struktur. Shoda numerických dat, získaných pomocí optimalizovaného modelu a změřených experimentálních dat potvrdila dřívější získané teoretické poznatky o zesílení transversálního magnetooptického jevu pomocí magnetoplasmonické struktury a jeho ovlivnění vzájemnou interakcí resonančních módůu.