Active photonic devices based on spintronic-plasmonic metasurfaces

Abstract

[EN] In this work, we study the magnetic field modulation of the optical response of plasmonic-spintronic metasurfaces. The responsible effect of this modulation is the Magneto-refractive effect (MRE), which accounts for the magnetic field induced modification of the electrical resistivity that translates into a change in the optical properties, making it possible to magnetically modulate the plasmon resonances from the mid-infrared to the THz regime. First, we introduce concepts relevant to this work, such as Giant Magnetoresistance (GMR) and Surface Plasmons, which are resonant collective oscillations of conduction electrons that can be localized in the surface of a metallic nanoparticle or can propagate along a dielectric-metallic interface. Then, we study the MRE exhibited by GMR systems, more specifically by a Ni81Fe19/Au GMR multilayer. Finally, we present an analysis of the optical response of plasmonic metasurfaces fabricated out of the previously mentioned GMR multilayers, using the Lumerical software for the photonic simulations. We consider periodical structures such as nanoantenna- and hole-arrays, in order to demonstrate that metasurfaces made out of GMR multilayers can be utilized to develop active photonic platforms whose optical response is controlled by an external magnetic field.

[ES] En este trabajo, estudiamos la modulaci´on a trav´es del campo magn´etico de la respuesta ´optica de metasuperficies plasm´onicas-espintr´onicas. El efecto responsable de esta modulaci´on es el Efecto MagnetoRefractivo (MRE), que explica la modificaci´on inducida por el campo magn´etico de la resistividad el´ectrica, que lleva asociado un cambio en las propiedades ´opticas, permitiendo as´ı modular magn´eticamente las resonancias plasm´onicas desde la regi´on del infrarrojo medio hasta el r´egimen de los terahercios. En primer lugar, introducimos conceptos fundamentales del trabajo, como la Magnetoresistencia Gigante (GMR) y los plasmones de superficie, que son oscilaciones colectivas resonantes de los electrones de conducci´on que pueden estar localizadas en la superficie de una nanopart´ıcula met´alica o se pueden propagar a lo largo de una interfaz di´electrico-metal. Posteriormente, estudiamos el MRE que presentan sistemas con GMR, espec´ıficamente por una multicapa de Ni81Fe19/Au con GMR. Por ´ultimo, presentamos un an´alisis de la respuesta ´optica de metasuperficies plasm´onicas fabricadas a partir de las previamente mencionadas multicapas, usando el software Lumerical para las simulaciones fot´onicas. Consideramos estructuras peri´odicas como redes de nanoantenas y agujeros, con el fin de demostrar que las metasuperficies hechas de multicapas de GMR pueden ser utilizadas para desarrollar plataformas fot´onicas activas cuya respuesta ´optica es controlada por un campo magn´etico externo.

[EU] Lan honetan, eremu magnetikoaren bidezko erantzun optikoaren modulazioa aztertu dugu metagainazal plasmoniko espintronikoetan. Modulazio honen eragilea Efektu Magneto-Errefraktiboa (MRE) da, eremu magnetikoak eragindako erresistentzia elektrikoaren aldaketa azaltzen duena eta honen ondoriozko propietate optikoen aldaketak azaltzen dituena. Erresonantzia plasmonikoen modulazio magnetikoa infragorri ertainetik THz erregimenara posible egiten du efektu honek. Lehenik eta behin, lan honetan funtsezkoak diren kontzeptuak aurkezten ditugu, hala nola Magneto Erresistentzia Erraldoia (GMR) eta gainazaleko plasmoiak. Gainazaleko plasmoiak eroankortasuneko elektroien talde-oszilazio erresonantziak dira, nanopartikula metalikoen gainazalean gerta daitezkeenak, edo dielektriko-metal gainazaleetan zehar heda daitezkeenak. Ondoren, GMR sistema berezietan, zehazki, GMR Ni81Fe19/Au multigeruzetan, adierazten den MREa aztertu dugu. Azkenik, lehen aipatutako multigeruzekin fabrikatutako metagainazal plasmonikoen erantzun optikoaren analisia egiten dugu, Lumerical softwarea erabiliz simulazio fotonikoak egiteko. Nanoantena- eta zulo-sareak bezalako estruktura periodikoak aztertzen ditugu, GMR multigeruzekin egindako metagainazalek plataforma fotoniko aktiboak garatzeko erabil daitezkeela, eta haien erantzun optikoa kanpoko eremu magnetikoaren bidez kontrolagarria dela erakusteko