Forskere finder en måde at tune lysbølger på ved at parre to eksotiske 2D-materialer

Forskere har fundet en måde at koble egenskaberne af forskellige todimensionelle materialer for at give en exceptionel grad af kontrol over lysbølger. De siger, at dette har potentialet til at føre til nye former for lysdetektion, termiske styringssystemer, og højopløselige billedbehandlingsenheder.

De nye resultater - ved hjælp af et lag et-atom-tykt grafen aflejret oven på et lignende 2-D lag af et materiale kaldet hexagonal bornitrid (hBN) - er offentliggjort i tidsskriftet Nano bogstaver . Værket er medforfatter af MIT lektor i maskinteknik Nicholas Fang og kandidatstuderende Anshuman Kumar, og deres medforfattere på IBM's T.J. Watson Research Center, Hong Kong Polytechnic University, og University of Minnesota.

Selvom de to materialer er strukturelt ens - begge sammensat af sekskantede arrays af atomer, der danner todimensionelle ark - interagerer de hver især med lys på en helt anden måde. Men forskerne fandt ud af, at disse interaktioner kan være komplementære, og kan kobles på måder, der giver en stor grad af kontrol over lysets adfærd.

Hybridmaterialet blokerer lys, når en bestemt spænding påføres grafen, samtidig med at det tillader en særlig form for emission og udbredelse, kaldet "hyperbolicitet, "når en anden spænding påføres - et fænomen, der ikke er set før i optiske systemer, siger Fang. En af konsekvenserne af denne usædvanlige adfærd er, at et ekstremt tyndt ark materiale kan interagere stærkt med lys, gør det muligt at styre bjælker, tragtet, og styret af spændinger påført til pladen.

"Dette udgør en ny mulighed for at sende og modtage lys over et meget begrænset rum, " Fang siger, og kunne føre til "unikt optisk materiale, der har et stort potentiale for optiske sammenkoblinger." Mange forskere ser forbedret sammenkobling af optiske og elektroniske komponenter som en vej til mere effektive beregnings- og billeddannelsessystemer.

Lysets interaktion med grafen producerer partikler kaldet plasmoner, mens lys, der interagerer med hBN, producerer fononer. Fang og hans kolleger fandt ud af, at når materialerne kombineres på en bestemt måde, plasmonerne og fononerne kan kobles, producerer en stærk resonans.

Egenskaberne af grafen tillader præcis kontrol over lys, mens hBN giver meget stærk indeslutning og vejledning af lyset. Kombinationen af ​​de to gør det muligt at skabe nye "metamaterialer", der kombinerer fordelene ved begge, siger forskerne.

Phaedon Avouris, en forsker hos IBM og medforfatter til papiret, siger, "Kombinationen af ​​disse to materialer giver et unikt system, der tillader manipulation af optiske processer."

De kombinerede materialer skaber et afstemt system, der kan justeres til kun at tillade lys af bestemte specifikke bølgelængder eller retninger at forplante sig, de siger. "Vi kan begynde at selektivt vælge nogle frekvenser [for at slippe igennem], og afvise nogle, " siger Kumar.

Disse egenskaber skulle gøre det muligt, Fang siger, at skabe små optiske bølgeledere, omkring 20 nanometer i størrelse - det samme størrelsesområde som de mindste funktioner, der nu kan produceres i mikrochips. Dette kan føre til chips, der kombinerer optiske og elektroniske komponenter i en enkelt enhed, med langt lavere tab, end når sådanne enheder fremstilles separat og derefter indbyrdes forbundet, de siger.

Medforfatter Tony Low, en forsker ved IBM og University of Minnesota, siger, "Vores arbejde baner vejen for at bruge 2D-materiale heterostrukturer til at udvikle nye optiske egenskaber efter behov."

En anden potentiel anvendelse, Fang siger, kommer fra evnen til at tænde og slukke en lysstråle ved materialets overflade; fordi materialet naturligt arbejder ved nær-infrarøde bølgelængder, dette kunne muliggøre nye veje til infrarød spektroskopi, han siger. "Det kunne endda muliggøre enkelt-molekyle opløsning, " Fang siger, af biomolekyler placeret på hybridmaterialets overflade.

Sheng Shen, en assisterende professor i maskinteknik ved Carnegie Mellon University, som ikke var involveret i denne forskning, siger, "Dette arbejde repræsenterer betydelige fremskridt med hensyn til at forstå tunable interaktioner af lys i grafen-hBN." Arbejdet er "temmelig kritisk" for at give den nødvendige forståelse for at udvikle optoelektroniske eller fotoniske enheder baseret på grafen og hBN, han siger, og "kunne give direkte teoretisk vejledning om at designe sådanne typer enheder. ... Jeg er personligt meget begejstret for dette nye teoretiske arbejde."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.