Magneto-optiska metaytor

Vassilios Kapaklis. Foto: Camilla Thulin.

Vetenskapsrådet fattade den 31 oktober 2019 beslut om projektbidrag och etableringsbidrag inom naturvetenskap och teknikvetenskap. Institutionen för fysik och astronomi tilldelas 40 840 000 SEK för perioden 2020-2023 för totalt nio projektbidrag och tre etableringsbidrag. Projekten kommer att inledas under 2020.

Projektbeskrivning

Projekttitel: Magneto-optiska metaytor
Huvudsökande: Vassilios Kapaklis, avdelningen för materialfysik
Beviljade medel: 3 400 000 SEK för perioden 2020-2023
Finansiär: Projektbidrag från Vetenskapsrådet

Vanliga optiska komponenter består av bulkobjekt med egenskaper som definieras av deras tredimensionella form och materialegenskaper. I en teknikvärld som strävar efter miniatyrisering och integrering av optiska och elektroniska komponenter har dessa vanliga komponenter starkt begränsade möjligheter till vidare utveckling. En stor fördel ligger istället i användning av tvådimensionella optiska komponenter, så kallade metaytor. Dessa är kompatibla med formfaktorer som gäller för modern elektronik och kan eventuellt också använda liknande tillverkningsprocesser.

Metaytor är platta, regelbundna mönster av nanometerstora öar som modulerar beteendet hos ljus och formar optiska vågfronter till godtyckligt utseende. Även om dessa specialutformade och miniatyriserade platta optiska komponenter är synnerligen lovande, så måste vi möta ett antal verkligt stora utmaningar för att de ska uppnå sin fulla potential i moderna tillämpningar inom elektronik och fotonik. I synnerhet behöver vi snarast kunna kontrollera deras funktionalitet i högre grad, för att åstadkomma dynamiskt omkonfigurerbara nanooptiska strukturer baserade på metaytor.

Denna utmaning kommer vi direkt ta oss an genom att använda magnetism för att definiera ett banbrytande ramverk för konstruktion av anpassningsbara och omkonfigurerbara platta optiska komponenter. Mer specifikt kommer vi använda en ny typ av magneter – tvådimensionella gitter av nanomagneter som var och en består av en enda magnetisk domän – för att åstadkomma denna nödvändiga kontroll. Magnetostatiska växelverkningar mellan dessa nanomagneter ger upphov till en kollektiv magnetisk ordning och dynamik. Dessutom kan denna ordning kontrolleras och göras omkonfigurerbar med hjälp av yttre stimuli som magnetiska fält, temperatur eller optomagnetiska effekter, tillsammans med den kollektiva magnetiseringsdynamik som uppstår i nanomagnetiska mönster och som kan varieras genom mönstrens utformning. Mönstret av nanomagneter kommer att påverka ljuset som ett fasgitter, eftersom magneto-optiska effekter i metaytan ger upphov till lokala förändringar i polarisation och fas hos de optiska vågfronterna. Här är graden och typen av magnetisk ordning hos nanomagneterna helt avgörande för gittrets struktur och funktion.

Inom projektet ska vi utveckla och utföra ljusspridningsmätningar på mönstrade gitter av nanomagneter. Vi ska undersöka hur ljusspridningen beror av den magnetiska ordningen och hur vi kan påverka denna för att styra ljuset. Vi vill belysa de grundläggande principerna bakom ljusspridningen från de magneto-optiska metaytorna, och sätta dessa principer i samband med den magnetiska ordningen och dynamiken. Denna kunskap kommer att användas för att uppfinna nya konstruktioner för magneto-optiska metaytor, som visar målinriktad funktionalitet, tillsammans med optimerade procedurer för kontroll och omkonfigurerbarhet av denna funktionalitet. Resultatet av detta projekt kommer att demonstrera den praktiska potentialen hos metaytorna som anpassningsbara och omkonfigurerbara platta optiska komponenter.