Overvinde optisk tab i et polaritonsystem med syntetiske komplekse frekvensbølger

Multi-frekvens tilgang til at overvinde optisk tab

I denne forskning udviklede holdet en ny flerfrekvenstilgang til at adressere energitab ved polaritonudbredelse. De brugte en speciel type bølge kaldet "komplekse frekvensbølger" for at opnå virtuel forstærkning og kompensere for tabet i et optisk system. Mens en regulær bølge opretholder en konstant amplitude eller intensitet over tid, udviser en kompleks frekvensbølge både oscillation og forstærkning samtidigt. Denne egenskab giver mulighed for en mere omfattende repræsentation af bølgeadfærd og muliggør kompensation for energitab.

Mens frekvens almindeligvis opfattes som et reelt tal, kan det også have en imaginær del. Denne imaginære del fortæller os, hvordan bølgen enten bliver stærkere eller svagere over tid. Bølger med en kompleks frekvens med en negativ (positiv) imaginær del henfalder (forstærker) over tid. Det er imidlertid en udfordring at udføre vores måling direkte under excitationen af ​​komplekse frekvensbølger i optik, fordi det kræver komplekse tidsstyrede målinger.

For at overvinde dette brugte forskerne Fourier Transformation matematiske værktøj til at nedbryde en trunkeret kompleks frekvensbølge (CFW) i flere komponenter med individuelle frekvenser.

Ligesom når du laver mad og har brug for en bestemt ingrediens, der er svær at finde, brugte forskerne en lignende idé. De nedbrød de komplekse frekvensbølger i enklere komponenter, som at bruge erstatningsingredienser i en opskrift. Hver komponent repræsenterede et andet aspekt af bølgen. Det er som at skabe en lækker ret ved at bruge erstatningsingredienser for at få den ønskede smag.

Ved at måle disse komponenter ved forskellige frekvenser og kombinere dataene rekonstruerede de opførselen af ​​systemet oplyst af den komplekse frekvensbølge. Dette hjalp dem med at forstå og kompensere for energitabet. Denne tilgang forenkler i høj grad den praktiske implementering af CFW'er i forskellige applikationer, herunder polaritonudbredelse og superbilleddannelse.

Ved at udføre optiske målinger ved forskellige reelle frekvenser med et fast interval, bliver det muligt at konstruere systemets optiske respons ved en kompleks frekvens. Dette opnås ved matematisk at kombinere de optiske svar opnået ved forskellige reelle frekvenser.

Professor Qing Dai, National Center for Nanoscience and Technology og en anden tilsvarende forfatter til papiret, udtalte, at dette arbejde har givet en praktisk løsning til at løse det langvarige problem med optisk tab i nanofotonik.

Han fremhævede betydningen af ​​den syntetiserede kompleks-frekvens-metode og sagde, at den let kan anvendes til forskellige andre applikationer som molekylær sansning og nanofotoniske integrerede kredsløb. Han understregede endvidere, at "denne metode er bemærkelsesværdig og universelt anvendelig, da den også kan bruges til at adressere tab i andre bølgesystemer, herunder lydbølger, elastiske bølger og kvantebølger, og derved forbedre kvaliteten af ​​billeddannelse til hidtil usete niveauer."

Eksperimentel demonstration

Som et proof of concept startede holdet med fononpolariton-udbredelse (PhPs) ved optiske frekvenser omkring 1.450 cm ^-1 ved hjælp af hBN-film. En lang guldantenne placeret på hBN-filmen bruges til at starte 1D PhP'erne. Feltfordelingerne af de to reelle frekvenser og de to komplekse frekvenser er vist i henholdsvis fig. 2a og 2b.

De eksperimentelle resultater viser, at mens udbredelsen ved de reelle frekvenser lider under kraftig dæmpning, oplever polaritonen ved de komplekse frekvenser næsten intet henfald langs udbredelsen.

Holdet anvendte yderligere den komplekse frekvenstilgang til at undersøge de mere komplicerede feltfordelinger understøttet af en tynd film af van der Waals krystal α-MoO₃ , som er meget anisotropisk og understøtter naturlige hyperbolske polaritoner i planet.

En metalantenne som excitationskilde er placeret på α-MoO₃ film som vist i fig. 3a. Feltfordelingsvariationen udviser en karakteristisk hyperbolsk udbredelsesadfærd med en konkav bølgefront (se fig. 3b).

Med stigningen af ​​frekvensen falder bølgelængden med en stærkere feltindeslutning, og i mellemtiden bliver udbredelsen mere dæmpet. Alle disse reelle frekvensplot kombineres i overensstemmelse med forholdet mellem kompleks frekvens for at opnå det komplekse frekvensresultat i fig. 3c.

Holdet undersøgte endelig PhP'ers interferensadfærd ved hjælp af den komplekse frekvenstilgang. To cirkulære antenner med forskellige diametre er fremstillet på MoO₃ film for at excitere fononpolaritonerne, som vist i fig. 3d.

Mens de reelle frekvensplot ikke kan vise klare interferenskanter, som vist i fig. 3e, kan de komplekse frekvensplot af klare interferensfrynser syntetiseres efter kombination af resultaterne af forskellige reelle frekvenser og som vist i fig. 3f.

Flere oplysninger: Fuxin Guan et al., Kompensering af tab i polaritonudbredelse med syntetiseret kompleks frekvensexcitation, Naturmaterialer (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01787-8

Journaloplysninger: Naturmaterialer

Leveret af University of Hong Kong