Controlling light with novel static and dynamic magnetophotonic structures
Authors: Πανταζόπουλος Πέτρος-Ανδρέας 
Published: September 2021

Η αλληλεπίδραση φωτός με τη μαγνήτιση και δυναμικές διεγέρσεις της (κύματα σπιν) σε μαγνητικά νανοϋλικά θα μπορούσε να αποτελέσει τη βάση για σχεδιασμό ολοκληρωμένων οπτοηλεκτρονικών κυκλωμάτων επόμενης γενεάς και καινοτόμων υβριδικών νανοδιατάξεων επεξεργασίας της πληροφορίας. Οι δυνατότητες όμως αυτές περιορίζονται γιατί η μαγνητο-οπτική σύζευξη στην περιοχή του ορατού και του υπερύθρου είναι εγγενώς εξαιρετικά ασθενής. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνούμε θεωρητικά τη δυνατότητα ενίσχυσης και ελέγχου της μαγνητο-οπτικής αλληλεπίδρασης με κατάλληλα σχεδιασμένες νανοδομές. Aρχικά μελετούμε στρωματικές δομές ομοιογενών υλικών, που περιλαμβάνουν στατικά μαγνητισμένα υμένια, με τις μεθόδους των πινάκων μεταφοράς και σκέδασης. Δείχνουμε ότι ο εντοπισμός του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου στη μαγνητικά ενεργή περιοχή επιφέρει ενίσχυση της μαγνητο-οπτικής αλληλεπίδρασης οδηγώντας σε ενδιαφέροντα φαινόμενα όπως μη αντιστρεπτή διάδοση φωτός και ισχυρά ενισχυμένη στροφή Faraday του επιπέδου πόλωσης. Στη συνέχεια, αφού επεκτείνουμε τη μέθοδο φωτονικής στρωματικής πολλαπλής σκέδασης ώστε να χειρίζεται σύνθετες αρχιτεκτονικές που περιλαμβάνουν υμένια μαγνητισμένα σε τυχαία διεύθυνση, μελετούμε τη στροφή Faraday σε στατικές μαγνητοπλασμονικές δομές διηλεκτρικών μαγνητικών νανοσωματιδίων με μεταλλικό φλοιό καθώς και μεταλλικών νανοκυλίνδρων εναποτεθειμένων σε διηλεκτρικό μαγνητικό υμένιο. Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι η συνέργεια πλασμονίων και μαγνήτισης μπορεί να ενισχύσει δραστικά τη μαγνητο-οπτική απόκριση. Επίσης, διερευνούμε το φαινόμενο της στροφής Faraday σε μια διπλοθλαστική διάταξη αποτελούμενη από ένα διηλεκτρικό μαγνητικό υμένιο μεταξύ δύο υπέρλεπτων μεταλλικών κατόπτρων, των οποίων οι εξωτερικές επιφάνειες φέρουν παράλληλες και ισαπέχουσες αυλακώσεις. Θεωρώντας τις πραγμετικές οπτικές παραμέτρους των υλικών, δείχνουμε ότι όχι μόνο η στροφή Faraday ενισχύεται δραματικά αλλά και ότι η διελευσιμότητα της δομής είναι σχετικά υψηλή. Στη συνέχεια, επικεντρωνόμαστε σε μια εμπεριστατωμένη μελέτη της αλληλεπίδρασης φωτός με τη μαγνητική δυναμική χρησιμοποιώντας την αδιαβατική προσέγγιση καθώς και μια πλήρως δυναμική μέθοδο Floquet στα πεδία του χώρου και του χρόνου, ακριβή σε οποιαδήποτε τάξη θεωρίας διαταραχών, την οποία αναπτύσσουμε για το σκοπό αυτό. Συγκεκριμένα, προτείνουμε και μελετάμε ένα πολυστρωματικό υλικό που παρουσιάζει ταυτόχρονα διττή, φωτονική και μαγνονική, λειτουργικότητα, εισάγοντας έτσι την έννοια του "οπτομαγνονικού κρυστάλλου'', καθώς επίσης μια επίπεδη νανοκοιλότητα που υποστηρίζει συγχρόνως εντοπισμένες καταστάσεις φωτός και κυμάτων σπιν. Δείχνουμε ότι ο ταυτόχρονος εντοπισμός των δύο πεδίων στην ίδια (μαγνητική) περιοχή για μεγάλο χρονικό διάστημα προκαλεί σημαντική ενίσχυση της αλληλεπίδρασής τους και προσδιορίζουμε τα όρια ισχύος της ημιστατικής αδιαβατικής προσέγγισης. Στο πλαίσιο της συστηματικής μας μελέτης, διερευνούμε οπτομαγνονικές κοιλότητες υπό τη διέγερση διαφόρων τύπων κυμάτων σπιν που επιφέρουν τόσο χρονική όσο και χωρική περιοδική διαμόρφωση. Δείχνουμε ότι, υπό ρεαλιστικές συνθήκες, ικανοποιώντας τους ισχύοντες κανόνες επιλογής, τέτοιες κατάλληλα σχεδιασμένες δομές προσφέρουν εντυπωσιακές δυνατότητες για ισχυρή διαμόρφωση του φωτός με κύματα σπιν μέσω διαδικασιών απορρόφησης/εκπομπής πολλών μαγνονίων από ένα φωτόνιο καθώς και μη ελαστικής σκέδασης σε καθεστώς τριπλού συντονισμού. Ακόμα, εξετάζουμε το φαινόμενο της δυναμικής περίθλασης καθώς και τη δημιουργία χασμάτων τόσο για την ελαστικά όσο και για μη ελαστικά σκεδαζόμενες δέσμες φωτός. Ισχυρή συνέργεια κυμάτων μαγνήτισης και φωτός θα μπορούσε να ανοίξει, μεταξύ άλλων, το δρόμο για καινοτόμες διατάξεις στο πεδίο των κβαντικών υπολογιστών και των τηλεπικοινωνιών, συμπεριλαμβανομένων μαγνητο-οπτικών διατάξεων για επεξεργασία σήματος και για μελέτη μαγνητικών ιδιοτήτων μακροσκοπικών και νανοδομημένων υλικών.