Nanofabrication of Magnetic-Plasmonic Surfaces and their Magneto-Optical Properties

English The work described in this thesis deals with the nanofabrication of magnetic-plasmonic surfaces via mixed techniques, such as hole-mask colloidal lithography, colloidal chemistry, and wet chemical approaches. The study of plasmonic materials is of fundamental interest as it allows for light manipulation at the nanoscale. Furthermore, from the interplay between plasmon resonances and magnetism, several exciting phenomena arise, from the possibility of enhancing the sensitivity of refractometric sensors, to more exotic ones, such as the magnetometric sensing of local magnetic field at the nanoscale or the amplification of the response of magnetic molecules. These last two topics will primarily be addressed throughout the dissertation, via the realization of magnetoplasmonic nanoantennas where the plasmonic part is able to sense the magnetic field originating from the magnetic one, and via the evaporation of ultra-thin molecular layers over plasmonic nanoantennas, respectively. The magneto-optical characterization of meta-antennas composed of metal-dielectric material showing type-II hyperbolic dispersion is also addressed in this thesis work. We show that their behavior can be modeled as a coupling between electric and magnetic dipolar modes with an external magnetic field. Finally, a circular dichroism (CD) study of macroscopic magneto-chiroptical enantiomorphic metasurfaces is addressed. Possessing both 2D and 3D chirality, they show a large CD response, which can be disentangled into true and false CD contributions. These nanostructures display an overlap between CD and MCD signals, thus opening up for the investigation of magneto-chiral dichroism effects at the nanoscale. Italiano Il lavoro descritto in questo lavoro di tesi si occupa della nanofabbricazione di superfici magnetico-plasmoniche tramite tecniche miste, come la litografia colloidale hole-mask, la chimica colloidale e approcci di wet chemistry. Lo studio dei materiali plasmonici è di fondamentale interesse in quanto consente la manipolazione della luce su scala nanometrica. Inoltre, dall'interazione tra risonanze plasmoniche e magnetismo, scaturiscono diversi interessanti fenomeni, dalla possibilità di aumentare la sensibilità dei sensori rfrattometrici, a quelli più esotici, come il rilevamento del campo magnetico locale su scala nanometrica o l'amplificazione della risposta di molecole magnetiche. Questi ultimi due argomenti saranno principalmente affrontati nel corso della tesi, attraverso la realizzazione di nanoantenne magnetoplasmoniche in cui la parte plasmonica è in grado di rilevare il campo magnetico proveniente dall’unità magnetica, e tramite l'evaporazione di strati molecolari ultrasottili su nanoantenne plasmoniche. In questo lavoro di tesi viene affrontata anche la caratterizzazione magneto-ottica di meta-antenne composte da strati alternati di materiale metallico e dielettrico che mostrano dispersione iperbolica di tipo II, il cui comportamento può essere modellato come un accoppiamento tra modi dipolari elettrici e magnetici con un campo magnetico esterno. Infine viene affrontato uno studio di dicroismo circolare (CD) di metasuperfici enantiomorfe macroscopiche magneto-chiroptiche. Queste strutture, possedendo sia chiralità 2D che 3D, mostrano una grande risposta CD, che può essere razionalizzata separando i contributi CD tra CD reciproco e CD non reciproco. Queste nanostrutture mostrano una sovrapposizione tra segnali CD e MCD, aprendo così allo studio degli effetti di dicroismo magneto-chirale su scala nanometrica.