Fotoniske metasurfaces giver en ny legeplads for twistronics

Kvanteoptik, spintronik og diffraktionsfri billeddannelse med lavt tab er blandt de teknologier, der kan drage fordel af nyligt forudsagte effekter i snoede tolags fotoniske strukturer. Værket tager inspiration fra et spirende felt inden for forskning i kondenseret stof - "twistronics, ", hvor elektronisk adfærd kan ændres dramatisk ved at kontrollere drejningen mellem lag af 2-D-materialer.

Da Pablo Jarillo-Herrero og hans gruppe annoncerede observationer af elektroniske egenskaber afstemt mellem superledende og Mott-isolerende tilstande, var der ikke bare spænding blandt de forskere, der arbejdede tæt med grafen og 2-D-materialer, men mange andre områder. Naturligt, ikke alle forskningsmiljøer forventede at finde associerede fænomener i de systemer, de undersøgte.

"Der var ingen grund til at tro, at dette ville ske i fotonik - virkningerne stammer fra korrelerede elektroner, og vi arbejder i stedet med fotoner, " forklarer Andrea Alù, Einstein professor ved City University of New York (CUNY). Ikke desto mindre i en nylig Nano bogstaver papir, han og kolleger på CUNY, National University of Singapore, og University of Texas i Austin har rapporteret teoretiske forudsigelser af fotoniske adfærdsændringer med vridning, der på mange måder er analoge med de ændringer i elektronisk adfærd, der først blev observeret i tolagsgrafen.

Fladbånd

Når du vrider et periodisk gitter i forhold til et andet ovenpå, nye "Moiré"-mønstre dukker op, der kan få dine øjne til at føle sig svimle. Tilsvarende vridning af et lag af honeycomb-formet grafen-atomgitter i forhold til et andet giver et Moiré-supergitter med twist-afhængige egenskaber. De periodiske potentielle felter ændres med dramatiske virkninger på, hvordan elektroner bevæger sig, som påvirker hvordan de tilgængelige energiniveauer eller bånd ændres med elektronens momentum. Ved en "magisk vinkel" på 1,1° - uhyggeligt akavet at opnå i eksperimenter - flader hældningen helt ud, en skarp kontrast til den stejle ændring i energi med momentum, der findes i enkeltlagsgrafen. Det var ved at høre om disse "flade bånd", at Alùs ører spidsede, fordi de havde bemærket fotoniske flade bånd i de metaoverfladesystemer, de studerede.

I metamaterialer, materialets sammensætning og struktur kan give det optiske egenskaber, som ikke ville findes i naturen, såsom negative brydningsindeks eller et ekstremt asymmetrisk "hyperbolsk" optisk respons. Generelt, lys, der kommer fra en punktkilde, bølger udad i ringe som bølger fra en sten, der er faldet i en dam. Men i et metamateriale konstrueret således, at den optiske respons i én retning er forskellig fra den vinkelrette retning, bliver ringene elliptiske.

Tag den asymmetri til det yderste, og bølgerne danner slet ikke længere lukkede ringe, men tag afsted langs en hyperbola som en raket ved flugthastighed. Effekten kan være fristende i metamaterialer, som har tendens til at være meget tabsgivende, så lidt lys når alligevel meget langt. Metasurfaces, imidlertid, giver samme effekt, men på overfladen, hvor du virkelig kan begynde at udnytte de forbedrede lys-stof-interaktioner fra disse hyperbolske optiske reaktioner.

At skære grafen i lange strimler påvirker også, hvordan det opfører sig, og i 2015, Alù og hans gruppe viste, at grafen nanobånd kunne opføre sig som en slags metaoverflade. Lys skinnede på et grafen nanobånd sender et stort antal elektroner, der oscillerer i forening som reaktion på det indfaldende elektromagnetiske felt - "en plasmon." Mere interessant stadig i en periodisk grill af grafen -nanoribber, disse plasmoner er hyperbolske.

"Grunden til, at fladbåndet i snoet tolagsgrafen gav genlyd hos os, er, hvis du tager en grafen nanobåndoverflade, der er en bred vifte af frekvenser, der giver en hyperbolsk udbredelse, men på et tidspunkt bliver den elliptisk - der er et fladt bånd for lys, " siger Alù.

Det fotoniske fladbånd betyder, at lyset bevæger sig uden diffraktion, og lysstofinteraktioner maksimeres. Fangsten er, at materialet også er i resonans på dette tidspunkt, hvilket betyder, at dets tab er maksimalt. Da han hørte om fladbåndet i snoet tolagsgrafen, spekulerede Alù og kolleger på, om stabling af to grafen-nanobånd-metaoverflader kunne give en vis vridningskontrol over disse fotoniske fladbånd.

Snoet fotonik

Alù og hans kolleger undersøgte Greens funktion af tolags grafen nanoribbon-grillene for at evaluere den optiske adfærd. De fandt ud af, at de to lag parrer sig, hvilket giver en plasmontilstand med to energier for hele dobbeltlagssystemet. Ud over, frekvensen af ​​fladbåndet skifter, så maksimale lysstofinteraktioner er mulige, når materialerne ikke er ved resonans. Endelig, overgangene for deres systemer sker omkring 45° - meget større og mere eksperimentelt tilgængelig end den magiske vinkel i grafen-dobbeltlagssystemer, afspejler nanobåndgrillens større periodicitet. Da vinklen er frekvensafhængig, er det muligt at feje gennem frekvenser for at finde systemets nøjagtige søde punkt.

Faktisk er "kanalisering" - den diffraktionsfrie udbredelse af lys, der forekommer ved fladbåndspunktet - allerede blevet observeret i en stråle sendt gennem to optiske lysgitter ved specifikke snoningsvinkler. De metaoverflader, der er beskrevet af Alù og kolleger, giver et yderligere fotoniksystem til at udforske twist-effekter, der kan være lettere at producere end tolags grafen med magisk vinkel, samt fremhæve noget ny fysik. "Til mig, den mest spændende del er skønheden i, hvordan du kan forudsige dette ud fra rent geometriske formler, " siger Alù.

Ud over, de fotoniske fladbåndseffekter kan vise sig nyttige til applikationer - især kvanteoptik og billeddannelse. "Folk spørger ofte - hvordan forbedrer vi interaktionen mellem indesluttede lysudsendere og stof, og hvordan leder vi den forbedrede emission uden diffraktion? "siger Alù." Dette er en ideel platform - det er bredbånd, og du kan indstille frekvensen. "

© 2020 Science X Network