Des nanoparticules magnétiques disposées en réseaux apportent une touche de lumière :en fonction de la distance entre les nanoparticules, une fréquence de lumière (visible à l'œil humain par sa couleur) résonne dans une direction; dans l'autre sens, la lumière (induite par des effets quantiques dans le matériau magnétique) est renforcée à une longueur d'onde différente. Crédit :Université Aalto
Des chercheurs de l'université finlandaise Aalto ont découvert une nouvelle façon de combiner les effets plasmoniques et magnéto-optiques. Ils ont démontré expérimentalement que la structuration de matériaux magnétiques en réseaux de points à l'échelle nanométrique peut conduire à une modification très forte et hautement contrôlable de la polarisation de la lumière lorsque le faisceau est réfléchi par le réseau. Cette découverte pourrait augmenter la sensibilité des composants optiques pour les applications de télécommunication et de biodétection.
Le couplage entre la lumière et l'aimantation dans les matériaux ferromagnétiques résulte d'interactions de la mécanique quantique. Ces interactions se traduisent par des effets magnéto-optiques qui modifient les propriétés, comme l'axe de polarisation ou l'intensité de la lumière. Les interactions entre la lumière et la matière sont renforcées à l'échelle nanométrique. C'est une motivation clé dans le domaine de la plasmonique, qui étudie l'interaction de la lumière avec les nanostructures métalliques.
Une taille nanométrique, la nanoparticule métallique se comporte très bien comme une antenne pour les longueurs d'onde visibles; de telles antennes nous sont familières dans de nombreux appareils de tous les jours qui fonctionnent sur des ondes radio et micro-ondes beaucoup plus longues. Les chercheurs ont profité d'un phénomène connu sous le nom de résonances de réseau de surface dans lequel toutes les nanoparticules, les petites antennes, rayonner à l'unisson dans un réseau. La clé est d'assembler les nanoantennes magnétiques sur une échelle de longueur qui correspond à la longueur d'onde de la lumière entrante.
Dans les tableaux périodiques, les nanoparticules interagissent fortement entre elles, donnant lieu à des oscillations collectives. Un tel comportement a déjà été signalé dans des nanoparticules de métaux nobles et a fait l'objet de recherches approfondies à l'Université Aalto dans le groupe de recherche Quantum Dynamics (QD).
Maintenant, un effort de collaboration entre QD et le groupe Nanomagnétisme et spintronique (NanoSpin) montre que de telles oscillations collectives peuvent également être observées dans les matériaux magnétiques. Les résonances du réseau de surface améliorent le changement de polarisation de la lumière dans les matériaux ferromagnétiques, l'effet Kerr dit magnéto-optique.
Une conclusion clé de l'étude était que la fréquence qui est la couleur de la lumière, pour laquelle cela se produit peut être rendu différent de la fréquence où l'effet purement optique est le plus fort. La séparation des signaux magnéto-optiques et optiques a été réalisée en choisissant une distance différente entre les nanoparticules dans les deux directions du réseau, explique le professeur Törmä.
L'utilisation de matériaux magnétiques n'était pas un choix évident. Jusque là, l'activité optique des matériaux ferromagnétiques a été limitée par leur haute résistance, ce qui rend impossible l'observation des impressionnantes résonances plasmoniques observées dans les métaux nobles.
Cependant, en ordonnant les nanoparticules en matrices et en profitant des résonances collectives, ce problème peut être atténué. Ce résultat ouvre une nouvelle direction importante dans le domaine de la recherche qui se concentre sur le couplage de la lumière et de l'aimantation à l'échelle nanométrique, déclare le professeur Sebastiaan van Dijken.
Les avantages de la collaboration entre les groupes de recherche, ceux qui travaillent dans des domaines différents, ont été essentiels à la réussite du projet. Les auteurs soulignent que ce genre de projet n'aurait pas été possible sans une connaissance approfondie à la fois de l'optique et du magnétisme à l'échelle nanométrique. Leurs travaux innovants ont jeté les bases de nouvelles explorations et ont le potentiel de faire progresser les applications au-delà de la physique fondamentale. L'équipe commune a utilisé les installations de nanofabrication de la salle blanche Micronova ainsi que les outils de microscopie électronique disponibles dans le centre de nanomicroscopie.
Les résultats sont publiés cette semaine dans la revue Communication Nature .
