Controlling light with novel static and dynamic magnetophotonic structures

Abstract

The interaction of light with the magnetization and its dynamic excitations (spin waves) in magnetic nanomaterials could be the basis for designing next-generation optoelectronic integrated circuits and novel hybrid, spin-optical, miniaturized devices for information processing applications. However, these possibilities are hindered by the inherently weak magneto-optical coupling in the visible and near-infrared part of the electromagnetic spectrum. In the present thesis, we investigate theoretically ways to enhance, in a controllable manner, the magneto-optical interaction in properly designed nanostructures. At first, we study stratified structures of homogeneous materials, which comprise statically magnetized films, using the transfer- and the scattering-matrix methods. We show that the localization of the electromagnetic field in the active magnetic region induces considerable enhancement of the magneto- optical interaction, leading to intriguing effects such as nonreciprocal light propagation and greatly increased Faraday rotation of the polarization plane. Next, employing the photonic layer-multiple-scattering method, that we properly extend so as to treat complex architectures comprising films magnetized in an arbitrary direction, we study the Faraday rotation in static magnetoplasmonic structures of dielectric magnetic nanoparticles coated with a metallic shell as well as of metallic nanocylinders deposited on a dielectric magnetic film. Our results provide compelling evidence that the synergy of plasmons and magnetization can drastically increase the magneto-optical response. In addition, we investigate the Faraday rotation effect in a birefringent etalon consisting of a dielectric magnetic film sandwiched between two ultrathin metallic mirrors, patterned with equally spaced parallel grooves on the their outer surfaces. Considering the actual optical parameters of the materials, we show that not only the Faraday rotation is dramatically enhanced but also the transmissivity is relatively high. We next undertake a thorough investigation of the interaction of light with dynamic magnetization fields using the adiabatic approximation as well as a fully dynamic spectro-spatial Floquet method, correct to arbitrary order in perturbation theory, that we develop for this purpose. Specifically, we propose and study a multilayer structure, which concurrently exhibits a dual, photonic and magnonic, functionality, thus introducing the concept of the "optomagnonic crystal", as well as a planar nanocavity that supports, simultaneously, localized modes of light and spin waves. We show that the concurrent localization of the two fields in the same (magnetic) region for a long time period causes considerable enhancement of their interaction and we establish the limits of validity of the quasistatic adiabatic approximation. In the framework of our systematic study, we investigate optomagnonic cavities subject to the excitation of different types of spin waves that induce, in general, a spatio-temporal modulation. Our results provide unambiguous evidence that, under realistic conditions, satisfying the valid selection rules, such properly designed structures offer impressive opportunities for achieving strong modulation of optical fields with spin waves through multi-magnon absorption/emission processes as well as inelastic light scattering in the triple-resonance regime. In addition, we examine the phenomenon of dynamic diffraction and the formation of band gaps for the elastically and inelastically scattered light beams. Strong synergy of magnetization waves with light might open, among others, the door to novel devices in the era of quantum computation and telecommunication, including magneto-optical devices for optical signal processing and for probing with high sensitivity magnetic properties of bulk and nanostructured materials.

Η αλληλεπίδραση φωτός με τη μαγνήτιση και δυναμικές διεγέρσεις της (κύματα σπιν) σε μαγνητικά νανοϋλικά θα μπορούσε να αποτελέσει τη βάση για σχεδιασμό ολοκληρωμένων οπτοηλεκτρονικών κυκλωμάτων επόμενης γενεάς και καινοτόμων υβριδικών νανοδιατάξεων επεξεργασίας της πληροφορίας. Οι δυνατότητες όμως αυτές περιορίζονται γιατί η μαγνητο-οπτική σύζευξη στην περιοχή του ορατού και του υπερύθρου είναι εγγενώς εξαιρετικά ασθενής. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνούμε θεωρητικά τη δυνατότητα ενίσχυσης και ελέγχου της μαγνητο-οπτικής αλληλεπίδρασης με κατάλληλα σχεδιασμένες νανοδομές. Aρχικά μελετούμε στρωματικές δομές ομοιογενών υλικών, που περιλαμβάνουν στατικά μαγνητισμένα υμένια, με τις μεθόδους των πινάκων μεταφοράς και σκέδασης. Δείχνουμε ότι ο εντοπισμός του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου στη μαγνητικά ενεργή περιοχή επιφέρει ενίσχυση της μαγνητο-οπτικής αλληλεπίδρασης οδηγώντας σε ενδιαφέροντα φαινόμενα όπως μη αντιστρεπτή διάδοση φωτός και ισχυρά ενισχυμένη στροφή Faraday του επιπέδου πόλωσης. Στη συνέχεια, αφού επεκτείνουμε τη μέθοδο φωτονικής στρωματικής πολλαπλής σκέδασης ώστε να χειρίζεται σύνθετες αρχιτεκτονικές που περιλαμβάνουν υμένια μαγνητισμένα σε τυχαία διεύθυνση, μελετούμε τη στροφή Faraday σε στατικές μαγνητοπλασμονικές δομές διηλεκτρικών μαγνητικών νανοσωματιδίων με μεταλλικό φλοιό καθώς και μεταλλικών νανοκυλίνδρων εναποτεθειμένων σε διηλεκτρικό μαγνητικό υμένιο. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι η συνέργεια πλασμονίων και μαγνήτισης μπορεί να ενισχύσει δραστικά τη μαγνητο-οπτική απόκριση. Επίσης, διερευνούμε το φαινόμενο της στροφής Faraday σε μια διπλοθλαστική διάταξη αποτελούμενη από ένα διηλεκτρικό μαγνητικό υμένιο μεταξύ δύο υπέρλεπτων μεταλλικών κατόπτρων, των οποίων οι εξωτερικές επιφάνειες φέρουν παράλληλες και ισαπέχουσες αυλακώσεις. Θεωρώντας τις πραγμετικές οπτικές παραμέτρους των υλικών, δείχνουμε ότι όχι μόνο η στροφή Faraday ενισχύεται δραματικά αλλά και ότι η διελευσιμότητα της δομής είναι σχετικά υψηλή. Στη συνέχεια, επικεντρωνόμαστε σε μια εμπεριστατωμένη μελέτη της αλληλεπίδρασης φωτός με τη μαγνητική δυναμική χρησιμοποιώντας την αδιαβατική προσέγγιση καθώς και μια πλήρως δυναμική μέθοδο Floquet στα πεδία του χώρου και του χρόνου, ακριβή σε οποιαδήποτε τάξη θεωρίας διαταραχών, την οποία αναπτύσσουμε για το σκοπό αυτό. Συγκεκριμένα, προτείνουμε και μελετάμε ένα πολυστρωματικό υλικό που παρουσιάζει ταυτόχρονα διττή, φωτονική και μαγνονική, λειτουργικότητα, εισάγοντας έτσι την έννοια του "οπτομαγνονικού κρυστάλλου'', καθώς επίσης μια επίπεδη νανοκοιλότητα που υποστηρίζει συγχρόνως εντοπισμένες καταστάσεις φωτός και κυμάτων σπιν. Δείχνουμε ότι ο ταυτόχρονος εντοπισμός των δύο πεδίων στην ίδια (μαγνητική) περιοχή για μεγάλο χρονικό διάστημα προκαλεί σημαντική ενίσχυση της αλληλεπίδρασής τους και προσδιορίζουμε τα όρια ισχύος της ημιστατικής αδιαβατικής προσέγγισης. Στο πλαίσιο της συστηματικής μας μελέτης, διερευνούμε οπτομαγνονικές κοιλότητες υπό τη διέγερση διαφόρων τύπων κυμάτων σπιν που επιφέρουν τόσο χρονική όσο και χωρική περιοδική διαμόρφωση. Δείχνουμε ότι, υπό ρεαλιστικές συνθήκες, ικανοποιώντας τους ισχύοντες κανόνες επιλογής, τέτοιες κατάλληλα σχεδιασμένες δομές προσφέρουν εντυπωσιακές δυνατότητες για ισχυρή διαμόρφωση του φωτός με κύματα σπιν μέσω διαδικασιών απορρόφησης/εκπομπής πολλών μαγνονίων από ένα φωτόνιο καθώς και μη ελαστικής σκέδασης σε καθεστώς τριπλού συντονισμού. Ακόμα, εξετάζουμε το φαινόμενο της δυναμικής περίθλασης καθώς και τη δημιουργία χασμάτων τόσο για την ελαστικά όσο και για μη ελαστικά σκεδαζόμενες δέσμες φωτός. Ισχυρή συνέργεια κυμάτων μαγνήτισης και φωτός θα μπορούσε να ανοίξει, μεταξύ άλλων, το δρόμο για καινοτόμες διατάξεις στο πεδίο των κβαντικών υπολογιστών και των τηλεπικοινωνιών, συμπεριλαμβανομένων μαγνητο-οπτικών διατάξεων για επεξεργασία σήματος και για μελέτη μαγνητικών ιδιοτήτων μακροσκοπικών και νανοδομημένων υλικών.