Exciton resonans tuning af en atomisk tynd linse

Siden udviklingen af ​​diffraktive optiske elementer i 1970'erne, forskere har i stigende grad afdækket sofistikerede grundlæggende principper for optik for at erstatte de eksisterende voluminøse optiske elementer med tynde og lette modstykker. Forsøgene har for nylig resulteret i nanofotoniske metaoverflader, der indeholder flad optik lavet af tætte arrays af metal eller halvleder nanostrukturer. Sådanne strukturer kan effektivt styre den lokale lysspredningsfase og amplitude baseret på plasmoniske eller Mie-resonanser. Forskere har studeret de to typer resonanser for at realisere optik med lille formfaktor, der leverer multifunktionalitet og kontrol over lysfeltet. Mens sådanne metasurface-funktioner er forblevet statiske, det er yderst ønskeligt at opnå dynamisk kontrol til nye fotoniske applikationer såsom lysretning og rækkevidde (LIDAR) til 3-dimensionel (3-D) kortlægning. Plasmoniske og Mie-resonanser tilbyder kun svag elektrisk afstemning, men årtiers forskning i optisk modulation beskriver exciton-manipulation for at være stærkere for at kontrollere optiske egenskaber af et materiale.

Den kritiske rolle, excitoner kan spille under optisk bølgefrontmanipulation, mangler at blive forstået og demonstreret med atomisk tynde optiske elementer. I en ny undersøgelse, der nu er offentliggjort på Naturfotonik , Jorik van de Groep og et team af forskere i avancerede materialer ved Stanford University og College of Optics and Photonics ved University of Central Florida, U.S.A. konstruerede et atomisk tyndt optisk element, der aktivt kan kontrolleres. De udskårne substratet direkte fra et monolag af wolframdisulfid (WS ₂ ). Materialet viste stærk excitonisk resonans i det synlige spektralområde. I stedet for den typiske tilgang til at konstruere størrelsen og formen af ​​geometrisk resonansantenner, holdet designede metaoverflader lavet af 2-dimensionelle (2-D) excitoniske materialer ved at modificere materialets resonans. Ved at optimere arrangementet af 2-D materialer, de opnåede specifikke optiske funktioner - at realisere resonans og afstembare lys-stof-interaktioner.

Afstembar atomisk tynd zonepladelinse

For at fremhæve vigtigheden af ​​excitonresonanser i driften af ​​den flade linse, holdet så WS's ringe ₂ som kilder til spredte marker, drevet af en indfaldende planbølge. De lokalt genererede spredte felter var proportionale med polariseringen af ​​WS ₂ materiale, forskerne forventede den stærkeste spredning nær excitonresonansen, hvor størrelsen af ​​kompleks elektrisk modtagelighed (benævnt x) var størst. Den eksperimentelle opsætning opnåede væsentligt højere fokuseringseffektiviteter med eksfolierede materialer af højere kvalitet, hvor exciton-linjebredden var væsentligt reduceret.

Mens denne linse praktisk talt var usynlig for det menneskelige øje for ikke-resonante bølgelængder, den kunne fange vigtig information fra omgivelserne for at intensiteten i fokus langt overstiger intensiteten af ​​den indfaldende planbølge. Spektral afhængighed af fokuseringseffektiviteten afhang af den komplekse materialemodtagelighed af WS ₂ monolag. Forskerne kunne ikke eksperimentelt isolere det spredte felt, men de indsamlede det svagt spredte lys fra et stort område for at bestemme brændintensiteten af ​​de eksperimentelle zoneplader til at være høj og i vid udstrækning baseret på WS ₂ materiale.

Holdet kontrollerede objektivets fokuseringseffektivitet ved at ændre excitonresonansen af ​​WS ₂ materiale ved hjælp af elektrisk port. For det, de analyserede de inducerede reflektivitetsændringer fra en simpel 20 x 20 µm ² firkantet plaster isoleret fra monolag WS _2, som funktion af den påførte gatespænding. De observerede en fuldstændig fjernelse af de excitoniske resonanser for at frembringe en af ​​de størst mulige ændringer i modtagelighed. Denne excitonundertrykkelse var også fuldt reversibel og meget reproducerbar. Observationerne fremhævede fordelene ved excitoniske resonanser sammenlignet med plasmoniske og Mie-type resonanser, der både er sværere at tune og undertrykke.

Forskerne udnyttede derefter den store tunerbarhed af excitonresonanserne for at kontrollere intensiteten i en linses brændpunkt. De målte eksperimentelt effekten i fokus som en funktion af bølgelængden normaliseret til den effekt, der falder ind på zonepladelinsen for at forstå fokuseringseffektivitetsspektret. Resultaterne indikerede, at fokuseret excitonisk lysspredning dominerede den direkte substrattransmission. Da holdet anvendte en 3-volts gate bias til WS ₂ /graphene heterostruktur for at undertrykke excitonresonansen, de observerede fuld undertrykkelse af den asymmetriske excitoniske linje. Brug derefter reversibel omskiftning af excitonresonansen, de genoprettede den neutrale resonanstilstand.

Resultaterne var i overensstemmelse med observationen af ​​liniebreddeindsnævring i refleksionsmålinger på patch-enhederne. Den målte fokuseringseffektivitet var relativt lav og begrænset på grund af den relativt lave materialekvalitet af den kommercielle WS ₂ . For eksempel, højkvalitets indkapslede monolag af små flager af molybdændiselenid (MOSe ₂ ) kan opnå en optisk reflektans på op til 80 procent. Forskere kan derfor forbedre væksten i det store område af højkvalitets monolags overgangsmetal dichalcogenider (TMDC'er) såsom WS ₂ for kraftigt at øge fokuseringseffektiviteten.

Forskerholdet udførte stuetemperatur, aktiv manipulation med stort område af excitonresonansen for at demonstrere dynamisk lysintensitetskontrol i fokus af 2-D materiale zonepladelinsen. De skiftede reproducerbart mellem de exciton-dominerede og exciton-dæmpede tilstande for at opnå aktiv kontrol på den excitoniske lysspredningsamplitude. Responstiden og asymmetrien i opsætningen skyldes ion-transport begrænset kompleksdannelse og på grund af adskillelsen af ​​det ionisk-væske elektriske dobbeltlag. Som resultat, forskerne foreslår at implementere solid-state gating-ordninger i stedet for ionisk-væske-gating for at øge enhedens responstid med størrelsesordener, som i øjeblikket er begrænset på grund af fabrikationsudfordringer.

På denne måde Jorik van de Groep og kolleger demonstrerede vigtigheden af ​​excitoniske materialeresonanser til at betjene atomisk tynde optiske linser. De forestiller sig, at mere avancerede gating-systemer med lokale og interleaved gating-elektroder vil lette excitoniske optiske enheder med mere komplekse funktionaliteter såsom justerbare brændvidder eller strålestyring. Værket åbner en helt ny tilgang til at designe dynamisk flad optik og metaoverflader til applikationer inden for stråletapning med frit rum, bølgefrontmanipulation og i augmented/virtual reality.

© 2020 Science X Network