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

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 22J15245
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 東野 真 京都大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)
• Project Period (FY): 2022-04-22 – 2024-03-31
• Keywords: プラズモニクス / 磁気光学 / 表面プラズモン共鳴 / 格子共鳴 / 金属間化合物

Outline of Annual Research Achievements

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。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

2022年度は、電磁場解析による磁気プラズモニック結晶の構造設計と、マスターモールドの作製およびAl-Fe系に先駆けてAlで実際にナノ構造の作製を行った。
設計段階で着目した矩形ナノ粒子アレイについて、計算と実験から形状のパラメータと光学応答の対応を把握することができた。また、本年度で得たマスターモールドおよびAlに関する試料作製条件は、今後の研究においてAl-Feナノ粒子の微細加工の基盤になるものである。

Strategy for Future Research Activity

2023年度の研究では、実際にAl-Fe系磁気プラズモニック結晶の作製と、磁気光学効果の評価に取り組む。試料作製は、2022年度に構築したナノインプリントリソグラフィとドライエッチングを組み合わせたプロセスに基づいて行う。磁気光学効果に関しては、特にFe分率と結晶構造の寄与に着目して解析する。
並行して、Ptドープによるスピン軌道相互作用の増大がもたらす磁気光学効果への寄与について検証する。