ИСТИНА

В ходе выполнения Проекта исследовались различные явления, связанные с усилением магнитооптических эффектов при помощи спонтанного и вынужденного излучения квантовых эмиттеров. В рамках работы по Проекту впервые было продемонстрировано усиление экваториального магнитооптического (МО) эффекта Керра в планарных магнитоплазмонных структурах, состоящих из субмикронной золотой решетки, нанесенной на ферромагнитный диэлектрик, допированный редкоземельными ионами (слой с усилением). В качестве ферромагнитного диэлектрика был выбран висмут-замещенный железо-иттриевый гранат (ЖИГ), так как он отличается высоким МО откликом, а технологии его допирования хорошо развиты. В качестве редкоземельных ионов были выбраны иттербий и неодим. Была исследована зависимость спектра пропускания и экваториального МО эффекта Керра (ЭЭК) при различных уровнях усиления в активном слое. Кроме того, была определена добротность манитоплазмонных резонансов и добротность МО эффекта при различных уровнях усиления. Показано, что за счет снижения потерь при распространении поверхностных плазмон-поляритонов (ППП) ЭЭК усиливается в 1,5 раза, а добротность увеличивается на 13%. При этом не происходит полной компенсации потерь, а лишь частичная компенсация. Для полной компенсации требуются слишком высокие уровни концентрации активных ионов, недостижимые в реальных образцах. Также, было определено, что вклад в усиление МО эффекта вносят лишь допанты, находящиеся в тонком слое около границы раздела [золото]/[ферромагнитный диэлектрик]. Так как активные ионы вносят вклад в усиление ЭЭК лишь находясь вблизи границы раздела [металл]/[диэлектрик], то эффективно усиливает исследуемый МО эффект лишь тонкий слой вблизи границы раздела сред. В связи с этим возникает вопрос, как влияет толщина ферромагнитного слоя на экваториальный МО эффект. Этот вопрос был исследован теоретически и экспериментально на примере пленок ферромагнитного диэлектрика толщиной менее 100 нм. Было показано, что с уменьшением толщины пленок, возрастает магнитооптический отклик или гирация материала. Однако, несмотря на рост гирации, величина ЭЭК уменьшается для более тонких пленок, тоньше 40 нм. Это связано с тем, что в рассматриваемых магнитоплазмонных структурах поле плазмона на глубине 40 нм падает в е раз. То есть в образцах с толщиной ферромагнитной пленки меньше 40 нм свет заметно проникает в немагнитную подложку, что приводит к уменьшению величины ЭЭК при эффективном увеличении МО отклика в такой ультратонкой пленке. Если проанализировать, как ведет себя величина ЭЭК при росте толщины пленки, то мы увидим, что она линейно возрастает в пленках толщиной от 0 до 30 нм и при толщинах пленки свыше 40 нм выходит на насыщение. Помимо этого, в ультратонких ферромагнитных пленках было обнаружено усиление магнитооптического эффекта Фарадея. Сопоставление экспериментальных данных и различных теоретических моделей, описывающих магнитооптический отклик, показало, что гирация в тонкой магнитной пленке испытывает резкий рост вблизи границы раздела ферромагнетик/воздух. В слое толщиной 2 нм, вблизи границы с воздухом воздуха, гирация испытывает семикратное увеличение по сравнению с гирацией в объемном материале, а в следующем слое толщиной 2 нм – четырехкратное. Важно подчеркнуть, что высокоточные измерения состава ультратонких пленок показали, что данный рост не обусловлен ростом концентрации магнитных элементов вблизи границы с воздухом. Также в рамках работы по Проекту было показано усиление еще одного МО эффекта, магнитного кругового дихроизма (МКД) в многослойных магнитных наночастицах, содержащих также слои с усилением. В частности, были получены формулы для сечения экстинкции многослойных наночастиц, содержащих в себе слои из материала с магнитным откликом, а также слои с усилением. Для согласования длины волны эмиссии молекул красителя были взяты никелевые частицы в виде нанодисков. В работе были получены формулы для поляризуемости и сечения экстинкции нанодисков, в том числе и покрытых оболочкой. Численное моделирование системы с никелевыми нанодисками в усиливающей среде показало, что при внешней накачке наблюдается усиление МКД и одновременно, на частоте эмиссии молекул красителя, увеличивается сечение экстинкции системы с нанодисками. Однако, это усиление МКД имеет очень низкую эффективность из-за высоких потерь в никеле. Чтобы снизить эти потери были рассмотрены наночастицы из комбинации золота и никеля. Однако, как оказалось, уменьшение объема никелевой наночастицы сильно снижает МО отклик системы как целого, поэтому эффект усиления МКД остается достаточно слабым. Кроме того, в рамках данного Проекта впервые продемонстрировано усиление МО свойств за счет спонтанного излучения (экситонов) в магнитных полупроводниковых наноструктурах в конфигурации Фохта. Было показано, что ЭЭК значительно усиливается на экситонном резонансе и достигает нескольких процентов. В то время как, вдали от резонанса, величина эффекта составляет сотые доли процента. Аналитически и численно исследовался ЭЭК в объемном полупроводнике CdMnTe вблизи узкого экситонного резонанса. Были рассмотрены предельные случаи, когда расщепление Зеемана, ответственное за МО отклик, много меньше и много больше ширины резонанса. Для каждого из предельных случаев получена аналитическая формула величины ЭЭК. Теоретически и экспериментально в полупроводниковой структуре с квантовой ямой показано резонансное усиление ЭЭК на экситонах, соответствующих переходам, связанным с легкими и тяжелыми дырками. Эффект рассмотрен как в слабых, так и в сильных магнитных полях вплоть до 5 Тл. Было обнаружено, что резонанс в ЭЭК, связанный с экситонными переходами, расщепляется на два пика в сильных магнитных полях. Гибридные плазмон-экситонные моды также приводят к усилению магнитооптических свойств, что исследуется в Проекте на примере магнитных полупроводниковых наноструктурах с нанесенными на их поверхность золотыми плазмонными решетками. В ходе работы над Проектом все поставленные задачи были выполнены. Полученные результаты опубликованы в высокорейтинговых рецензируемых журналах и представлены в виде устных и стендовых докладов на престижных международных конференциях.