Atomisk glatte guldkrystaller hjælper med at komprimere lys til nanofotoniske applikationer

Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) forskere og deres samarbejdspartnere i ind- og udland har med succes demonstreret en ny platform til at styre de komprimerede lysbølger i meget tynde van der Waals-krystaller. Deres metode til at lede det mellem-infrarøde lys med minimalt tab vil give et gennembrud for de praktiske anvendelser af ultratynde dielektriske krystaller i næste generation af optoelektroniske enheder baseret på stærke lys-stof-interaktioner på nanoskala.

Phonon-polaritoner er kollektive oscillationer af ioner i polære dielektrika koblet til elektromagnetiske lysbølger, hvis elektromagnetiske felt er meget mere komprimeret sammenlignet med lysets bølgelængde. For nylig blev det påvist, at fonon-polaritonerne i tynde van der Waals-krystaller kan komprimeres endnu mere, når materialet placeres oven på et stærkt ledende metal. I en sådan konfiguration "reflekteres" ladninger i den polaritoniske krystal i metallet, og deres kobling med lys resulterer i en ny type polaritonbølger kaldet billedfonon-polaritonerne. Meget komprimerede billedtilstande giver stærke lys-stof-interaktioner, men er meget følsomme over for underlagets ruhed, hvilket hindrer deres praktiske anvendelse.

Udfordret af disse begrænsninger kombinerede fire forskergrupper deres indsats for at udvikle en unik eksperimentel platform ved hjælp af avancerede fremstillings- og målemetoder. Deres resultater blev offentliggjort i Science Advances den 13. juli.

Et KAIST forskerhold ledet af professor Min Seok Jang fra School of Electrical Engineering brugte et meget følsomt scanning nærfelt optisk mikroskop (SNOM) til direkte at måle de optiske felter af de hyperbolske billedfonon-polaritoner (HIP), der forplanter sig i en 63 nm -tyk plade af hexagonal bornitrid (h-BN) på et monokrystallinsk guldsubstrat, der viser de midt-infrarøde lysbølger i dielektrisk krystal komprimeret hundrede gange.

Professor Jang og en forskningsprofessor i hans gruppe, Sergey Menabde, opnåede med succes direkte billeder af HIP-bølger, der forplanter sig i mange bølgelængder, og detekterede for første gang et signal fra den ultrakomprimerede højordens HIP i en almindelig h-BN-krystaller. De viste, at fonon-polaritonerne i van der Waals-krystaller kan være væsentligt mere komprimerede uden at ofre deres levetid.

Dette blev muligt på grund af de atomisk glatte overflader af de hjemmedyrkede guldkrystaller, der blev brugt som substrat for h-BN. Praktisk talt nul overfladespredning og ekstremt lille ohmsk tab i guld ved mellem-infrarøde frekvenser giver et miljø med lavt tab for HIP-udbredelsen. HIP-tilstanden undersøgt af forskerne var 2,4 gange mere komprimeret og udviste alligevel en lignende levetid sammenlignet med fonon-polaritonerne med et dielektrisk substrat med lavt tab, hvilket resulterede i en dobbelt så høj værdi i form af den normaliserede udbredelseslængde.

De ultraglatte monokrystallinske guldflager, der blev brugt i forsøget, blev kemisk dyrket af holdet af professor N. Asger Mortensen fra Center for Nanooptik på Syddansk Universitet.

Midt-infrarødt spektrum er særligt vigtigt til sanseapplikationer, da mange vigtige organiske molekyler har absorptionslinjer i det melleminfrarøde. Der kræves dog et stort antal molekyler af de konventionelle detektionsmetoder for vellykket drift, hvorimod de ultrakomprimerede fonon-polariton-felter kan give stærke lys-stof-interaktioner på mikroskopisk niveau og dermed forbedre detektionsgrænsen væsentligt ned til et enkelt molekyle . HIP'ens lange levetid på monokrystallinsk guld vil forbedre detektionsydelsen yderligere.

Desuden viste undersøgelsen udført af professor Jang og teamet den slående lighed mellem HIP og grafenplasmonerne. Begge billedtilstande har et betydeligt mere begrænset elektromagnetisk felt, men deres levetid forbliver upåvirket af den kortere polaritonbølgelængde. Denne observation giver et bredere perspektiv på billedpolaritoner generelt og fremhæver deres overlegenhed med hensyn til nanolysbølgeføring sammenlignet med de konventionelle lavdimensionelle polaritoner i van der Waals-krystaller på et dielektrisk substrat.

Professor Jang sagde:"Vores forskning viste fordelene ved billedpolaritoner, og især billedfonon-polaritonerne. Disse optiske tilstande kan bruges i fremtidens optoelektroniske enheder, hvor både udbredelsen med lavt tab og den stærke lys-stof-interaktion er nødvendig. Jeg håber, at vores resultater vil bane vejen for realiseringen af ​​mere effektive nanofotoniske enheder såsom metasurfaces, optiske switches, sensorer og andre applikationer, der opererer ved infrarøde frekvenser." + Udforsk yderligere

Studie af akustiske grafenplasmoner baner vej for optoelektroniske applikationer