強磁性金属間化合物を利用した磁気プラズモニック結晶による偏光状態の制御

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プラズモン共鳴による磁気光学効果の増幅が見られるか否かは、ナノ粒子を構成する材料の種類に依らない。しかし、増幅の程度と外部磁場に対する応答の鋭敏さは、材料の種類に大きく影響される。強磁性金属のナノ粒子は、小さい外部磁場で磁気光学効果を示すが、プラズモン共鳴による増幅効果が材料の光損失によって抑制されるため、現状で確認されている磁気光学効果は小さい。本研究は、適切な材料選択と光学設計によって、プラズモニック材料としての性能と強磁性の共存を実現することで、低磁場で大きな磁気光学効果を示す系の実現を目指す。具体的には、Al-Fe二元系合金で構成される磁気プラズモニック結晶を利用する。2022年度は、電磁場解析を利用したナノ構造の設計とナノ構造転写用のマスターモールド(鋳型)の作製およびAlでの試料試作を中心に行った。具体的な構造として、矩形ナノ粒子からなる周期構造(アレイ)に着目した。矩形ナノ粒子アレイは、周期と矩形ナノ粒子のアスペクト比のそれぞれの値だけでなく、その相対値によっても応答を制御できる。具体的には、周期に占めるナノ粒子の空間充填率によって、表面格子共鳴の交差の形を制御することができる。これは、電磁場解析と、試作したAl矩形ナノ粒子アレイにおいても確認できた。上記に加えて、先行研究との比較という観点から、酸化チタンナノ粒子アレイ上のNi薄膜の磁気光学効果の評価を行った。酸化チタンナノ粒子間の相互作用が、Niによって生じた周辺媒質の非対称な屈折率分布が原因で弱められた結果、磁気光学効果の増幅が殆ど見られなかった。この抑制機構は、本研究で着目しているようなナノ粒子が強磁性を担う系では発生し得ず、新たに本研究を差別化する視点を得ることができた。