In einem mit zirkular polarisiertem Licht bestrahlten magnetischen Material wird eine Magnetisierung längs des Wellenvektors erzeugt. Dieses Phänomen wird als inverser Faraday Effekt (IFE) bezeichnet. Das Vorzeichen der Licht-induzierten Magnetisierung wird durch die Helizität des einfallenden Lichts bestimmt, und die Magnetisierung verschwindet für linear polarisiertes Licht. Links- und rechts-polarisiertes Licht induziert eine Magnetisierung von entgegengesetztem Vorzeichen.
Ein neuer Typ einer Nichtlinearität dritter Ordnung in magneto-plasmonischen Strukturen
Abb. 1: Schema einer ferromagnetisch dielektrischen/metallischen Grenzschicht.
Während Licht nicht in eine dünne metallische Schicht eindringt, können unter geeigneten Bedingungen Oberflächen-Plasmon-Polaritonen angeregt werden, die sich längst der Oberfläche ausbreiten. Da SPPs eine longitudinale Komponente des elektrischen Feldes besitzen, kann sogar linear polarisiertes einfallendes Licht eine Magnetisierung durch die Plasmonen erzeugen, die durch das einfallende Licht angeregt werden. Die Plasmonen sind jedoch nicht im herkömmlichen Sinn zirkular polarisiert.
Abb. 2: Abhängigkeit der IFE-bezogenen nichtlinearen Suszeptibilität von der Wellenlänge für eine Grenzschicht zwischen Gold und einem ferromagnetischen dielektrischen Material.
Um diesen neuen Typ einer Nichtlinearität zu quantifizieren, wurde von der Gruppe eine analytische Formel für die IFE-bedingte nichtlinearen Suszeptibilität von planaren magneto-plasmonischen Strukturen unter Nutzung des Lorentz-Reziprozitäts-Theorem abgeleitet. Die neue IFE-bezogene Nichtlinearität spielt bei der SPP Ausbreitung eine analoge Rolle wie der optische Kerr-Effek; sie entsteht jedoch durch einen anderen physikalischen Mechanismus und unterscheidet sich von der des optischen Kerr-Effektes durch ihren Betrag, ihrer Frequenzabhängigkeit und ihrer Abhängigkeit von Materialparametern.
Abb. 3: Abhängigkeit der nichtlinearen Phasenverschiebung von der Leistung bei einer Wellenlänge von 1550 nm und einer Ausbreitungslänge von 1000nm.
Das Schema einer ferromagnetischen dielektrischen/metallischen Grenzfläche ist in Abb.1 dargestellt. Die Abhängigkeit des nichtlinearen Ausbreitungskoeffizienten von der Wellenlänge ist in Abb.2 und die Abhängigkeit der nichtlinearen Phasenverschiebung von der Leistung in Abb.3 zu sehen.
Magneto-plasmonische Strukturen eröffnen die Möglichkeit für eine neue Klasse von nanooptischen Elementen, die für Schlüsselanwendungen in der Nanoinformationstechnik bedeutsam sind. Diese Ergebnisse können zu vielversprechenden und wichtigen Anwendungen in diesem Gebiet führen.