Magneto-optical effects in hybrid plasmonic nanostructures

Abstract

This thesis focuses on magneto-optical effects and their enhancement at optical resonances in hybrid plasmonic nanostructures. One of the main goals is to gain a better understanding of the transverse magnetic routing of light emission (TMRLE) regarding both components of the hybrid plasmonic-semiconductor model system used to investigate this novel effect. Here, the TMRLE describes the routing of light emitted from excitons in a diluted magnetic semiconductor (DMS) quantum well (QW), where the selection rules of the exciton optical transitions are modified by an external magnetic field to have a non-zero transverse spin along the magnetic field direction. By placing the light source near a surface, it can couple to subwavelength evanescent optical fields, such as surface plasmon polaritons (SPPs), which possess a strong transverse spin and spin-momentum locking. This translates the spin of the emitter into a routed wave along the surface and directional emission into the far-field. Firstly, the temperature dependence of the routing from the DMS QW, used as strongly polarizable light source, is investigated. The findings reveal a significant decline in the achievable emission routing for increasing temperatures, but also the emergence of the light-hole emission, which is routed in the opposite direction to the main heavy-hole emission. Additionally, alternative non-DMS-based QW structures are explored as potential candidates for achieving temperature-independent emission routing. Secondly, the influence of the plasmonic nanograting, the other constituent of the hybrid structure, on the enhanced routing is demonstrated. The emission directionality is investigated for various grating periods and slit widths, which also reveals the usually hard-to-detect weak coupling between the QW excitons and the SPPs as a large contributor to the emission directionality spectrum. Lastly, the thesis explores the transverse magneto-optical Kerr effect (TMOKE) for light reflected from or transmitted through a magnetite-based plasmonic waveguide structure. Here, the hybridization of the plasmonic and magnetic waveguide modes leads to a wide-band enhancement of the TMOKE signal in transmission.

Der Fokus dieser Arbeit liegt auf magneto-optischen Effekten und deren Verstärkung an optischen Resonanzen in hybriden plasmonischen Nanostrukturen. Eines der Hauptziele ist das bessere Verständnis der transversalen magnetischen Lenkung der Lichtemission (TMRLE) bezüglich beider Komponenten des hybriden plasmonischen Halbleiter-Modellsystems, an dem dieser neuartige Effekt untersucht wird. Hier beschreibt der TMRLE die direktionale Lenkung der Lichtemission von Exzitonen aus einem semimagnetischen Halbleiter (DMS) Quantentopf (QW), wobei die Auswahlregeln der optischen Exzitonen-Übergänge von einem externen Magnetfeld so modifiziert werden, dass sie einen transversalen Spin entlang des Magnetfeldes haben. Wird diese Lichtquelle nahe einer Oberfläche platziert, so kann sie an evaneszente optische Felder mit starkem transversalem Spin und einer Kopplung von Spin und Ausbreitungsrichtung, wie Oberflächenplasmonpolaritonen (SPPs), koppeln. Dadurch wird der Emitterspin in eine direktionale Welle entlang der Oberfläche übersetzt, die dann direktional in das Fernfeld emittieren kann. Zunächst wird die Temperaturabhängigkeit der Emissionslenkung aus dem DMS QW untersucht, welcher als stark polarisierbare Lichtquelle fungiert. Dabei zeigt sich eine starke Abnahme der erreichbaren Emissionslenkung bei steigenden Temperaturen, aber auch der aufkommende Beitrag der Leichtloch-Emission, welche in die entgegengesetzte Richtung der primären Schwerloch-Emission gelenkt wird. Außerdem werden alternative nicht-DMS-basierte QW Strukturen als Kandidaten für eine temperaturunabhängige Emissionslenkung untersucht. Zweitens wird der Einfluss des plasmonischen Nanogitters als weiterer Bestandteil der Hybridstruktur auf die verstärkte Emissionslenkung gezeigt. Dafür wird die Emissionsdirektionalität für verschiedene Gitterperioden und -spaltbreiten untersucht, wobei auch die sonst schwer zu detektierende schwache Kopplung der QW-Exzitonen und SPPs als großer Beitrag zum Direktionalitätsspektrum aufgedeckt wird. Zuletzt wird noch der transversale magneto-optische Kerr-Effekt (TMOKE) für reflektiertes und transmittiertes Licht von einer Magnetit-basierten plasmonischen Nanostruktur untersucht. Hier führt die Hybridisierung der plasmonischen und der magnetischen Wellenleitermoden zu einer breitbandigen Verstärkung des TMOKE Signals in Transmission.