Hybrid plasmonic structures for giant Faraday rotation

Abstract

Propagiert linear polarisiertes Licht durch ein magneto-optisches Medium, so bewirkt ein angelegtes statisches Magnetfeld eine Drehung der Polarisation der elektromagnetischen Welle. Dieses Phänomen wird als Faraday-Effekt bezeichnet. Was diesen Effekt besonders auszeichnet, ist die Tatsache, dass durch den Einfluss des angelegten Magnetfeldes sowohl die Zeitumkehrinvarianz, als auch die Lorentz-Reziprozität gebrochen werden. Aufgrund dieser Eigenschaft, werden Faraday-Rotatoren als Grundbaustein in einer Vielzahl von nichtreziproken optischen Systemen eingesetzt. Das wichtigste Beispiel sind optische Isolatoren, die eine Faraday-Rotation von 45° benötigen, um Licht in Vorwärtsrichtung zu transmittieren und in Rückwärtsrichtung vollständig zu blockieren. Sehr viele optische Komponenten, die Faraday-Rotatoren beeinhalten, unterliegen dem Trend hin zu immer stärkerer Miniaturisierung. Daraus folgt ebenfalls ein großer Bedarf an Faraday-Rotatoren mit kleinsten räumlichen Abmessungen. Allerdings ist die Realisierung solcher Systeme sehr anspruchsvoll, da die Faraday-Rotation proportional zur Dicke des verwendeten magneto-optischen Materials ist. Das bedeutet, dass mit einem kleineren magneto-optischen Kristall auch die maximal erreichbare Faraday-Rotation sinkt. Um diesem Verhalten entgegenzuwirken, werden in dieser Dissertation mehrere neuartige Methoden vorgestellt, die es erlauben den Faraday-Effekt eines Dünnfilms mithilfe von periodischen metallischen Nanostrukturen zu verstärken. Die verschiedenen Ansätze werden sowohl experimentell, als auch theoretisch untersucht. Weiterhin wird gezeigt, dass das magneto-optische Verstärkungsprinzip der Nanostrukturen mithilfe eines einfachen Oszillatormodells elegant beschrieben werden kann. Die in dieser Dissertation vorgestellten hybriden magnetoplasmonischen Systeme bestehen aus EuSe- und EuS-Dünnfilmen, sowie aus Gold-Nanogittern. Es wird gezeigt, dass diese weniger als 200 nm dicken Strukturen bei einer Temperatur von 20 K und einem statischen Magnetfeld von 5 T eine Faraday-Rotation von bis zu 14° erzeugen können. Weiterhin kann die Polarisation des transmittierten Lichts durch Umpolung und Variation des Magnetfeldes über einen 25° breiten Winkelbereich hinweg reguliert werden. Da die für optische Isolation benötigte Drehung von 45° nur einen Faktor drei größer ist als die von der Dünnfilmstruktur erreichte Faraday-Rotation, ist das hier präsentierte Konzept sehr vielversprechend und könnte wichtige Anwendungen im Bereich integrierter nichtreziproker photonischer Systeme finden. Besonders herauszustellen sind hier Anwendungen in den Bereichen optische Isolation, Lichtmodulation und Magnetfeldmessung.