En ny type infrarøde polaritoner på overfladen af ​​bulkkrystaller

Et internationalt hold har rapporteret ind Natur den første observation af spøgelsespolaritoner, som er en ny form for overfladebølger, der bærer lys i nanoskala, stærkt koblet med materialesvingninger og har stærkt kollimerede udbredelsesegenskaber. Forskerholdet observerede disse fænomener over et almindeligt materiale - calcit - og viste, hvordan spøgelsespolaritoner kan lette en overlegen kontrol af infrarødt nanolys til sansning, signalbehandling, energihøst og andre teknologier.

I de seneste år, nanofotonik ved infrarøde og terahertz-frekvenser er blevet vigtig for højfølsomme, ultrakompakte teknologier med lavt tab til biomolekylær og kemisk diagnose, sensorer, kommunikation og andre applikationer. Nanomaterialeplatforme, der kan lette forbedrede lys-stof-interaktioner ved disse frekvenser, er blevet afgørende for disse teknologier. Seneste arbejde har været at bruge lavdimensionelle van der Waals materialer, såsom grafen, hexagonalt bornitrid og alfa-fase molybdæntrioxid (α-MoO3, Natur 2018), på grund af deres meget eksotiske reaktion på indelukket lys på nanoskala. Imidlertid, disse nye nanomaterialer kræver krævende nanofremstillingsteknikker, hindrer storskala nanofotoniske teknologier.

Skriver ind Natur den 18. august 2021, et stærkt samarbejdende internationalt team ledet af videnskabsmænd ved City University of New York Advanced Science Research Center ved Graduate Center, Huazhong Universitet for Videnskab og Teknologi (HUST), National University of Singapore (NUS) og National Center for Nanoscience and Technology (NCNST) har rapporteret, at calcit - en velkendt bulkkrystal, der almindeligvis bruges i andre teknologier - naturligt kan understøtte spøgelsespolaritoner.

Holdet udforskede lysinteraktioner med calcit og fandt uventede infrarøde fononpolariton-responser. De viste, at calcit, som nemt kan poleres, kan understøtte spøgelsespolariton-overfladebølger, der har komplekse, momentum uden for planet er totalt forskellig fra enhver observeret overfladepolariton til dato.

"Polaritonics er videnskaben og teknologien til at udnytte stærke vekselvirkninger mellem lys og stof, og det har revolutioneret optisk videnskab i de sidste par år, " sagde Andrea Alù, Einstein professor i fysik ved Graduate Center og stiftende direktør for Photonics Initiative ved Advanced Science Research Center på CUNY Graduate Center. "Vores opdagelse er det seneste eksempel på den spændende videnskab og overraskende fysik, der kan opstå ved at udforske polaritoner i konventionelle materialer som calcit."

"Vi brugte scattering-type scanning nærfelt optisk mikroskopi (s-SNOM) til at sondere disse spøgelsespolaritoner, " sagde første forfatter Weiliang Ma, en ph.d. kandidat hos HUST. "Spændende nok, vi har vist strålelignende nano-lys udbredelse i op til 20 mikrometer, en rekordlang afstand for polaritonbølger ved stuetemperatur."

"Vi har været begejstrede for at finde en ny løsning af Maxwells ligninger med komplekse, momentum ud af planet. Og endnu mere spændende, vi har været i stand til at observere det i en meget almindelig krystal." siger Guangwei Hu, medførsteforfatter, NUS postdoc og langtidsgæst på CUNY.

"Denne type polaritoner kan tunes gennem deres optiske akse, introducerer en ny måde at manipulere polaritoner på, sagde Cheng-Wei Qiu, Dekanformand professor ved NUS. "Vi tror, ​​at vores resultater vil stimulere udforskningen af ​​forskellige optiske krystaller til lysmanipulation i nanoskala."

Professorerne Debo Hu og Qing Dai fra NCNS og Runkun Chen, Ph.D. og professor Xinliang Zhang fra HUST har også bidraget væsentligt til dette arbejde.