Pesquisadores da Universidade Aalto da Finlândia descobriram uma nova maneira de combinar efeitos plasmônicos e magneto-ópticos. Eles demonstraram experimentalmente que a padronização de materiais magnéticos em matrizes de pontos em nanoescala pode levar a uma modificação muito forte e altamente controlável da polarização da luz quando o feixe é refletido da matriz. Esta descoberta pode aumentar a sensibilidade dos componentes ópticos para aplicações de telecomunicações e biossensor.

O acoplamento entre luz e magnetização em materiais ferromagnéticos surge de interações mecânicas quânticas. Essas interações resultam em efeitos magneto-ópticos que modificam as propriedades, como o eixo de polarização ou intensidade da luz. As interações entre a luz e a matéria são aprimoradas em nanoescala. Esta é uma motivação fundamental no campo da plasmônica, que estuda a interação da luz com nanoestruturas metálicas.

Um tamanho nano, nanopartículas metálicas se comportam de maneira muito semelhante a uma antena para comprimentos de onda visíveis; essas antenas são familiares para nós em vários dispositivos do dia-a-dia que operam em ondas de rádio e micro-ondas muito mais longas. Os pesquisadores aproveitaram um fenômeno conhecido como ressonâncias de rede de superfície em que todas as nanopartículas, as pequenas antenas, irradiar em uníssono em uma matriz. A chave para isso é montar as nanoantenas magnéticas em uma escala de comprimento que corresponda ao comprimento de onda da luz que entra.

Em matrizes periódicas, nanopartículas interagem fortemente entre si, dando origem a oscilações coletivas. Tal comportamento foi relatado anteriormente em nanopartículas de metais nobres e extensivamente pesquisado na Aalto University no grupo de pesquisa Quantum Dynamics (QD).

Agora, um esforço colaborativo entre QD e o grupo Nanomagnetism and Spintronics (NanoSpin) mostra que tais oscilações coletivas também podem ser observadas em materiais magnéticos. As ressonâncias da rede de superfície aumentam a mudança de polarização da luz em materiais ferromagnéticos, o chamado efeito Kerr magneto-óptico.

Uma descoberta importante do estudo foi que a frequência que é a cor da luz, para o qual isso acontece pode ser feito diferente da frequência em que o efeito puramente óptico é mais forte. A separação dos sinais magneto-ópticos e ópticos foi conseguida escolhendo uma distância diferente entre as nanopartículas nas duas direções da matriz, explica o professor Törmä.

Usar materiais magnéticos não era uma escolha óbvia. Até aqui, atividade óptica em materiais ferromagnéticos tem sido limitada por sua alta resistência, o que torna impossível observar as ressonâncias de plasmon impressionantes vistas em metais nobres.

Contudo, ordenando as nanopartículas em matrizes e aproveitando as ressonâncias coletivas, este problema pode ser mitigado. Este resultado abre uma nova direção importante no campo de pesquisa que se concentra no acoplamento de luz e magnetização em nanoescala, diz o professor Sebastiaan van Dijken.

Os benefícios da colaboração entre grupos de pesquisa - aqueles que trabalham em campos diferentes - foram essenciais para o sucesso do projeto. Os autores destacam que esse tipo de projeto não teria sido possível sem um amplo conhecimento em óptica e magnetismo em nanoescala. Seu trabalho inovador criou a base para futuras explorações e tem o potencial de desenvolver aplicações além da física fundamental. A equipe conjunta usou as instalações de nanofabricação na sala limpa da Micronova, bem como as ferramentas de microscopia eletrônica disponíveis no Centro de Nanomicroscopia.

Os resultados são publicados esta semana na revista. Nature Communications .