I ricercatori dell'Università Aalto in Finlandia hanno scoperto un nuovo modo di combinare effetti plasmonici e magneto-ottici. Hanno dimostrato sperimentalmente che la modellazione di materiali magnetici in matrici di punti su scala nanometrica può portare a una modifica molto forte e altamente controllabile della polarizzazione della luce quando il raggio si riflette dall'array. Questa scoperta potrebbe aumentare la sensibilità dei componenti ottici per le applicazioni di telecomunicazione e biorilevamento.

L'accoppiamento tra luce e magnetizzazione nei materiali ferromagnetici deriva da interazioni quantomeccaniche. Queste interazioni si traducono in effetti magneto-ottici che modificano le proprietà, come l'asse di polarizzazione o l'intensità della luce. Le interazioni tra luce e materia sono migliorate su scala nanometrica. Questa è una motivazione chiave nel campo della plasmonica, che studia la luce che interagisce con le nanostrutture metalliche.

Un nano-dimensioni, la nanoparticella metallica si comporta molto come un'antenna per le lunghezze d'onda visibili; tali antenne ci sono familiari in numerosi dispositivi di uso quotidiano che operano su radio e microonde molto più lunghe. I ricercatori hanno sfruttato un fenomeno noto come risonanze reticolari superficiali in cui tutte le nanoparticelle, le piccole antenne, irradiano all'unisono in un array. La chiave per questo è assemblare le nanoantenne magnetiche su una scala di lunghezza che corrisponda alla lunghezza d'onda della luce in arrivo.

Negli array periodici, le nanoparticelle interagiscono fortemente tra loro, dando luogo a oscillazioni collettive. Tale comportamento è stato precedentemente riportato in nanoparticelle di metalli nobili ed è stato ampiamente studiato presso l'Università di Aalto nel gruppo di ricerca Quantum Dynamics (QD).

Ora, uno sforzo collaborativo tra QD e il gruppo Nanomagnetismo e Spintronica (NanoSpin) mostra che tali oscillazioni collettive possono essere osservate anche nei materiali magnetici. Le risonanze del reticolo superficiale migliorano il cambiamento di polarizzazione della luce nei materiali ferromagnetici, il cosiddetto effetto Kerr magneto-ottico.

Una scoperta chiave dello studio è stata che la frequenza che è il colore della luce, per cui ciò accade può essere resa diversa dalla frequenza in cui l'effetto puramente ottico è più forte. La separazione dei segnali magneto-ottici e ottici è stata ottenuta scegliendo una distanza diversa tra le nanoparticelle nelle due direzioni dell'array, spiega il professor Törmä.

L'uso di materiali magnetici non è stata una scelta ovvia. Finora, l'attività ottica nei materiali ferromagnetici è stata limitata dalla loro elevata resistenza, il che rende impossibile osservare le impressionanti risonanze plasmoniche osservate nei metalli nobili.

Però, ordinando le nanoparticelle in array e sfruttando le risonanze collettive, questo problema può essere mitigato. Questo risultato apre una nuova importante direzione nel campo della ricerca che si concentra sull'accoppiamento di luce e magnetizzazione su scala nanometrica, afferma il professor Sebastiaan van Dijken.

I vantaggi della collaborazione tra gruppi di ricerca, quelli che lavorano in campi diversi, sono stati essenziali per il successo del progetto. Gli autori sottolineano che questo tipo di progetto non sarebbe stato possibile realizzare senza una vasta conoscenza sia dell'ottica che del magnetismo su scala nanometrica. Il loro lavoro innovativo ha creato le basi per ulteriori esplorazioni e ha il potenziale per far avanzare applicazioni oltre la fisica fondamentale. Il team congiunto ha utilizzato le strutture di nanofabbricazione nella camera bianca di Micronova e gli strumenti di microscopia elettronica disponibili nel Nanomicroscopy Center.

I risultati sono pubblicati questa settimana sulla rivista Comunicazioni sulla natura .