Forskere opdager retningsbestemt og langlivet nanolys i et 2-D-materiale

Et internationalt forskerhold rapporterer, at lys indespærret i nanoskalaen kun forplanter sig i bestemte retninger langs tynde plader af molybdæntrioxid, et naturligt anisotropt 2D-materiale. Udover dens unikke retningsbestemte karakter, dette nanolys forplanter sig i usædvanlig lang tid, og har dermed mulige anvendelser inden for signalbehandling, sensing og varmestyring på nanoskala.

Fremtidige informations- og kommunikationsteknologier vil stole på manipulation af ikke kun elektroner, men også af lys i nanometerskalaen. Begrænsning af lys til et så lille område har været et stort mål inden for nanofotonik i mange år. En vellykket strategi er brugen af ​​polaritoner, som er elektromagnetiske bølger som følge af koblingen af ​​lys og stof. Særlig stærk lysklemning kan opnås med polaritoner ved infrarøde frekvenser i 2-D materialer, såsom grafen og sekskantet bornitrid. Forskere har opnået ekstraordinære polaritoniske egenskaber såsom elektrisk tuning af grafenpolaritoner med disse materialer, men polaritonerne har altid vist sig at forplante sig i alle retninger af materialoverfladen, derved taber energi hurtigt, hvilket begrænser deres anvendelsespotentiale.

For nylig, forskere forudsagde, at polaritoner kan forplante sig anisotropisk langs overfladerne af 2-D materialer, hvor de elektroniske eller strukturelle egenskaber er forskellige i forskellige retninger. I dette tilfælde, polaritonernes hastighed og bølgelængde afhænger stærkt af den retning, hvor de formerer sig. Denne egenskab kan føre til stærkt retningsbestemt polaritonudbredelse i form af nanoskala indesluttede stråler, som kunne finde fremtidige applikationer inden for sensing, varmestyring og kvanteberegning.

Nu, et internationalt team ledet af Qiaoliang Bao (Monash Engineering, Melbourne, Australien), Pablo Alonso-González (Universitetet i Oviedo, Spanien) og Rainer Hillenbrand (CIC nanoGUNE, San Sebastián, Spanien) har opdaget ultra-begrænsede infrarøde polaritoner, der kun forplanter sig i specifikke retninger langs tynde plader af det naturlige 2-D materiale molybdæntrioxid (α-MoO ₃ ).

"Vi fandt α-MoO ₃ at være en unik platform for infrarød nanofotonik, " siger Qiaoliang Bao.

"Det var fantastisk at opdage polaritoner på vores α-MoO ₃ tynde flager, der kun bevæger sig i bestemte retninger, "siger Weiliang Ma, postgraduate-studerende og med-førsteforfatter.

"Indtil nu, den retningsbestemte udbredelse af polaritoner er kun blevet observeret eksperimentelt i kunstigt strukturerede materialer, hvor den ultimative polaritonindeslutning er meget sværere at opnå end i naturlige materialer, " tilføjer den første forfatter Shaojuan Li.

Bortset fra retningsbestemt udbredelse, undersøgelsen viste også, at polaritonerne på α-MoO ₃ kan have en ekstraordinær lang levetid. "Lys ser ud til at tage en motorvej i nanoskala på α-MoO ₃ ; den bevæger sig i bestemte retninger næsten uden forhindringer, " siger Pablo Alonso-González, medførsteforfatter af papiret. Han tilføjer, "Vores målinger viser, at polaritoner på α-MoO ₃ leve op til 20 picosekunder, som er 40 gange større end den bedst mulige polaritonlevetid i grafen af ​​høj kvalitet ved stuetemperatur."

Fordi polaritonernes bølgelængde er meget mindre end lysets, forskerne skulle bruge et specielt mikroskop, et såkaldt optisk nærfeltsmikroskop, at afbilde dem. "Etableringen af ​​denne teknik faldt perfekt sammen med fremkomsten af ​​nye van der Waals materialer, muliggør billeddannelse af en række unikke og endda uventede polaritoner i løbet af de sidste år, " tilføjer Rainer Hillenbrand.

For en bedre forståelse af de eksperimentelle resultater, forskerne udviklede en teori, der gjorde det muligt for dem at udtrække forholdet mellem momentum af polaritoner i α-MoO ₃ med deres energi. "Vi har indset, at lyset pressede α-MoO ind ₃ kan blive 'hyperbolisk, "at få energi og bølgefronter til at brede sig i forskellige retninger langs overfladen, som kan føre til interessante eksotiske effekter i optik, såsom negativ brydning eller superlinsing, "siger Alexey Nikitinof Donostia International Physics Center (DIPC), som udviklede teorien i samarbejde med Javier Taboada-Gutiérrez og Javier Martín-Sánchez og postdoktorale forskere ved Alonso-Gonzalez' gruppe.

Det nuværende arbejde er kun begyndelsen på en række undersøgelser fokuseret på retningsbestemt kontrol og manipulation af lys ved hjælp af ultra-lavt tab polaritoner på nanoskala, som kunne gavne udviklingen af ​​mere effektive nanofotoniske enheder til optisk sansning og signalbehandling eller varmestyring.