Использование магнитов для переключения нанолазеров ведет к улучшению фотоники

Лазеры концентрируют свет в чрезвычайно ярких лучах, которые используются в различных областях, таких как широкополосная связь и устройства медицинской диагностики.

Плазмонный лазер включается (вверху) и выключается (внизу) путем переключения намагниченности массива наноточек. На вставках с увеличенным масштабом показано магнитное поле вокруг одиночной наноточки. изображение из Университета Аалто

Около десяти лет назад были разработаны чрезвычайно маленькие и быстрые лазеры, известные как плазмонные нанолазеры. Эти нанолазеры потенциально более энергоэффективны, чем традиционные лазеры, и они имеют большое преимущество во многих областях — например, нанолазеры повысили чувствительность биосенсоров, используемых в медицинской диагностике.

До сих пор включение и выключение нанолазеров требовало непосредственного манипулирования ими, либо механически, либо с использованием тепла или света. Теперь исследователи нашли способ удаленно управлять нанолазерами.

«Новшество здесь в том, что мы можем управлять сигналом генерации с помощью внешнего магнитного поля. Изменяя магнитное поле вокруг наших магнитных наноструктур, мы можем включать и выключать генерацию », — говорит профессор Себастьян ван Дейкен из Университета Аалто.

Команда достигла этого, создав плазмонные нанолазеры из материалов, отличных от обычных. Вместо обычных благородных металлов, таких как золото или серебро, они использовали магнитные кобальто-платиновые наноточки, нанесенные на сплошной слой золота и изолирующий диоксид кремния. Их анализ показал, что для достижения эффекта требовались как материал, так и расположение наноточек в периодических массивах.

Фотоника продвигается к чрезвычайно надежной обработке сигналов

Новый механизм управления может оказаться полезным в ряде устройств, использующих оптические сигналы, но его значение для развивающейся области топологической фотоники еще более захватывающе. Топологическая фотоника направлена ​​на создание световых сигналов, которые не нарушаются внешними помехами. Это может найти применение во многих областях, обеспечивая очень надежную обработку сигналов.

«Идея состоит в том, что вы можете создать определенные оптические режимы, которые являются топологическими, с определенными характеристиками, которые позволяют их транспортировать и защищать от любых помех», — объясняет ван Дейкен. «Это означает, что если в устройстве есть дефекты или из-за шероховатости материала, свет может просто проходить мимо них без помех, потому что оно топологически защищено».

До сих пор для создания топологически защищенных оптических сигналов с использованием магнитных материалов требовались сильные магнитные поля. Новое исследование показывает, что эффект магнетизма в этом контексте может быть неожиданно усилен с помощью массива наночастиц определенной симметрии. Исследователи считают, что их результаты могут указать путь к новым, наноразмерным, топологически защищенным сигналам.

«Обычно магнитные материалы могут вызывать очень незначительные изменения в поглощении и поляризации света. В этих экспериментах мы произвели очень значительные изменения оптического отклика — до 20 процентов. Такого еще никогда не видели », — говорит ван Дейкен.

Профессор Академии Пяйви Торма добавляет, что «эти результаты имеют большой потенциал для реализации топологических фотонных структур, в которых эффекты намагничивания усиливаются за счет подходящего выбора геометрии массива наночастиц».

Эти открытия являются результатом длительного сотрудничества между группами наномагнетизма и спинтроники, возглавляемыми профессором ван Дейкеном, и группой квантовой динамики, возглавляемой профессором Торме, обе из которых работают на факультете прикладной физики Университета Аалто.