Forskere anvender twistronics til lysudbredelse og gør et gennembrud

Et forskerhold ledet af forskere ved Advanced Science Research Center ved The Graduate Center, CUNY (CUNY ASRC), i samarbejde med National University of Singapore, University of Texas ved Austin og Monash University, har brugt "twistronics" -koncepter (videnskaben om lagdeling og vridning af todimensionale materialer for at kontrollere deres elektriske egenskaber) til at manipulere lysstrømmen på ekstreme måder. Fundene, offentliggjort i tidsskriftet Natur , holde løftet om springfremskridt inden for en række lysdrevne teknologier, herunder nano-billeddannelsesudstyr; høj hastighed, lavenergi optiske computere; og biosensorer.

Holdet tog inspiration fra den nylige opdagelse af superledning i et par stablede grafenlag, der blev roteret til den "magiske vridningsvinkel" på 1,1 grader. I denne konfiguration, elektroner flyder uden modstand. Hver for sig, hvert grafenlag viser ingen særlige elektriske egenskaber. Opdagelsen har vist, hvordan den omhyggelige kontrol af rotationssymmetrier kan afsløre uventede materielle reaktioner.

Forskergruppen opdagede, at et analogt princip kan anvendes til at manipulere lys på meget usædvanlige måder. Ved en bestemt rotationsvinkel mellem to ultratynde lag molybdæn -trioxid, forskerne var i stand til at forhindre optisk diffraktion og muliggøre robust lysudbredelse i en tæt fokuseret stråle ved ønskede bølgelængder.

Typisk, lys, der udstråles fra en lille emitter placeret over en flad overflade, udvider sig i cirkler meget som bølgerne, der er begejstret af en sten, der falder ned i en dam. I deres eksperimenter, forskerne stablede to tynde plader molybdentrioxid - et materiale, der typisk bruges i kemiske processer - og roterede det ene lag i forhold til det andet. Da materialerne blev begejstret af en lille optisk emitter, de observerede meget kontrollerbar lysemission over overfladen, da rotationsvinklen var varieret. I særdeleshed, de viste, at ved den fotoniske magiske vridningsvinkel understøtter det konfigurerede dobbeltlag robust, diffraktionsfri lysudbredelse i tæt fokuserede kanalstråler over en lang række bølgelængder.

"Mens fotoner - lysets kvante - har meget forskellige fysiske egenskaber end elektroner, vi har været fascineret af den nye opdagelse af twistronics, og har spekuleret på, om snoede todimensionelle materialer også kan give usædvanlige transportegenskaber for lys, til fordel for fotonbaserede teknologier, "sagde Andrea Alù, stiftende direktør for CUNY ASRC's Photonics Initiative og Einstein professor i fysik ved The Graduate Center. "For at afsløre dette fænomen, vi brugte tynde lag molybdæn -trioxid. Ved at stable to af sådanne lag oven på hinanden og kontrollere deres relative rotation, vi har observeret dramatisk kontrol af de lysstyrende egenskaber. I den fotoniske magiske vinkel, lyset afbøjer ikke, og den formerer sig meget begrænset langs lige linjer. Dette er en ideel funktion for nanovidenskab og fotoniske teknologier. "

"Vores opdagelse var baseret på et ganske specifikt materiale og bølgelængdeområde, men med avanceret nanofabrikation kan vi mønstre mange andre materialeplatforme for at replikere disse usædvanlige optiske funktioner over en lang række lysbølgelængder, "sagde National University of Singapore (NUS) kandidatstuderende Guangwei Hu, der er første forfatter til undersøgelsen og en langvarig gæsteforsker med Alùs gruppe. "Vores undersøgelse viser, at twistronics for fotoner kan åbne virkelig spændende muligheder for lysbaserede teknologier, og vi er glade for at fortsætte med at undersøge disse muligheder, "sagde professor C.W. Qiu, Hu's medrådgiver hos NUS.