Fysikere finjusterer kontrollen med agile eksotiske materialer

Fysikere har fundet en måde at kontrollere længden og styrken af ​​bølger af atombevægelse kaldet polaritoner, der har lovende potentielle anvendelser såsom finskala billeddannelse og transmission af information inden for trange rum. Heterostrukturer lavet af grafen og sekskantet bornitrid understøtter hybride plasmon-phonon polaritoner, der kan indstilles elektronisk.

Forskerne målte bølger kaldet polaritoner, der kan opstå, når lys interagerer med stof. Ved at kombinere to materialer, de producerede hybride polaritoner, der forplanter sig gennem mange lag af et krystallinsk materiale og kan styres med en simpel elektrisk port. Holdet, ledet af Dimitri Basov og Michael Fogler, professorer i fysik ved University of California, San Diego, rapportere deres succes i Natur nanoteknologi .

"Vores arbejde viser, at nye egenskaber ved polaritoniske bølger kan opnås ved kunstig at kombinere forskellige materialer, " sagde Siyuan Dai, en kandidatstuderende i Basovs gruppe ansvarlig for meget af det eksperimentelle arbejde, og rapportens hovedforfatter. "Hybridpolaritonerne er stærkere og kan forplante sig længere og har dermed større potentiale i applikationer."

Dette samarbejdshold var et af to, der først demonstrerede polaritoner i enkeltatomlag af kulstof kaldet grafen. I grafen, infrarødt lys sender krusninger gennem elektronerne på overfladen af ​​dette metallignende materiale kaldet overfladeplasmonpolaritoner, som forskerne var i stand til at kontrollere ved hjælp af et simpelt elektrisk kredsløb.

Infrarødt lys kan også udsende polaritoner inden for en anden type todimensionel krystal kaldet hexagonal bornitrid. Bølger af atomisk bevægelse kaldet phonon polaritoner forplanter sig gennem plader af hBN dannet af stakke af arklignende krystaller. Basovs og Foglers forskningsgrupper har tidligere vist, at variation af antallet af lag af hBN kunne styre bølgeformen af ​​fononpolaritonerne.

Men når først de er fremstillet, en enhed lavet af hBN ville begrænse fononpolaritoner til et enkelt snævert område af bølgelængder og amplituder.

Ved at toppe en stak hBN med et enkelt lag grafen, holdet har skabt et agilt nyt materiale med hybride polaritoner, der forplanter sig gennem hele den krystallinske plade, men som kan tunes med en elektronisk port.

De to slags polaritoner bliver koblet, en teoretisk overvejelse bestemt og eksperimentelt bevis bekræftet. Som resultat, dette menneskeskabte materiale manipulerer elektromagnetisk stråling - lys - på måder, der aldrig er observeret i naturlige materialer. Det passer til definitionen af ​​et metamateriale, en klasse af strukturer, der først blev realiseret ved UC San Diego for 15 år siden, og som begynder at blive udstillet til potentiel praktisk brug.

"Vores strukturer er lavet af det nye vidundermateriale grafen og dets fætter bornitrid, som giver dem flere fordele sammenlignet med traditionelle metalbaserede metamaterialer. De vigtigste fordele inkluderer enorm grad af tunbarhed, relativt lave tab, og ultralille tykkelse, " sagde Fogler.

"Vi har nu demonstreret en helt ny klasse af elektromagnetiske metamaterialer, der er fremstillet af separate atomplaner af van der Waals-materialer, " sagde Basov. "Elektromagnetiske metamaterialer revolutionerer billeddannelses- og sensorteknologier. Siden den første demonstration er disse systemer allerede avanceret til praktiske anvendelser."