Magneto-Plasmonic (MP) effect combines the magneto-optic (MO) and plasmonic functionalities of a metal magnetic material. Especially, the plasmonic resonances of metal magnetic nano-structures, of which the properties depend on the shape and size of the nano-structures, play an important role in the MP phenomena. Recently, the MP effect in an array of Ni nano-disks, of which the size is well below the quasi-static limit and thus can be approximated as that of a spherical particle, has been investigated. The simple spin-orbit oscillator model was used to successfully explain the MP effect mechanism for sub-wavelength-scale, spherical magnetic metal particles. However, there have been only a limited number of studies on MP effects in magnetic metal nano-particles, which have a shape that is non-spheroidal, a complex geometry, and a size that exceeds the Rayleigh regime (~λ/10). In this study, we systematically investigated the MP Kerr effects of a single ferromagnetic Ni nano-rod under a normally incident plane wave; we also investigated the properties of coupling according to the plasmonic resonances, depending on the size and shape of the nano-rod, systematically. In particular, we found that the MP effects are determined not by the field concentration of the incident light but by the local density of the optical states of the Ni nano-rod. The spatial distribution matching between the electric field of the plasmonic mode and the magnetically induced polarization vector is crucial to maximizing the MP effect. This phenomenon shows that the coupling of the external magnetic field-induced polarization vectors with the plasmonic resonance dominates the MP effect. Our systematic research and deep understanding will provide a methodology for and insight into the design of MP nano-structures or systems for potential applications.
자기-플라즈모닉 효과는 자기광학 효과와 금속 자성 물질에서의 플라즈모닉 기능이 결합된 것이다. 특히 나노구조의 모양과 크기에 의존하여 나타나는 금속 자성 나노구조에서의 플라즈모닉 공명은 자기-플라즈모닉 현상에서 중요한 역할을 한다. 최근에 구형으로 근사가 가능한 준정적한계의 크기를 가지는 니켈 나노원반에서 일어나는 자기-플라즈모닉 효과가 조사되었다. 단순 스핀-궤도 조화진동자 모델은 준정적한계에서의 구형 금속 조각에서의 자기-플라즈모닉 효과를 성공적으로 설명하였다. 그러나 레일라이 영역 (파장의 1/10)을 넘어가는 크기나 구형이 아닌 복잡한 나노 자성 구조에서의 연구는 한계점이 있다. 본 연구에서 우리는 수직한 평면파 입사하에서 니켈 나노막대에서 일어나는 자기-플라즈모닉 커 효과와 크기와 모양에 의존하는 플라즈모닉 공명의 결합성질을 면밀히 조사하였다. 특히 우리는 자기-플라즈모닉 효과가 입사광에 의한 필드 집중이 아닌 국소 광학 상태밀도에 의하여 결정된다는 것을 발견하였다. 플라즈모닉 모드의 전기장과 자기적으로 유도된 전기편극밀도백터와의 공간 분포 일치성이 자기-플라즈모닉 효과을 극대화하는데 중요하다. 이러한 현상은 외부 자기장에 의하여 유도된 전기편극밀도백터가 플라즈모닉 공명과 결합하여 자기-플라즈모닉효과를 우세하게 하는 것을 보인다. 우리의 면밀한 분석과 깊은 이해는 응용을 위한 자기-플라즈모닉 나노구조 혹은 시스템 디자인을 위한 방법론과 통찰을 줄 것으로 기대된다.
