En ny studie av ett internationellt team av forskare under ledning av University of Minnesota belyser hur manipulation av 2D-material kan göra våra moderna enheter snabbare, mindre, och bättre.

Resultaten finns nu online och kommer att publiceras i Naturmaterial , en ledande vetenskaplig tidskrift för materialvetenskap och ingenjörsforskning.

Tvådimensionella material är en klass av nanomaterial som bara är några få atomer i tjocklek. Elektroner i dessa material är fria att röra sig i det tvådimensionella planet, men deras begränsade rörelse i den tredje riktningen styrs av kvantmekaniken. Forskning om dessa nanomaterial är fortfarande i sin linda, men 2D-material som grafen, dikalkogenider av övergångsmetall och svart fosfor har fått enorm uppmärksamhet från forskare och ingenjörer för sina fantastiska egenskaper och potential att förbättra elektroniska och fotoniska enheter.

I den här studien, forskare från University of Minnesota, MIT, Stanford, U.S. Naval Research Laboratory, IBM, och universitet i Brasilien, Storbritannien och Spanien, gick ihop för att undersöka de optiska egenskaperna hos flera dussintals 2D-material. Målet med artikeln är att förena förståelsen av ljus-materia-interaktioner i dessa material bland forskare och utforska nya möjligheter för framtida forskning.

De diskuterar hur polaritoner, en klass av kvasipartiklar som bildas genom koppling av fotoner med elektriska laddningsdipoler i fasta ämnen, tillåta forskare att förena hastigheten hos fotonljuspartiklar och elektronernas ringa storlek.

"Med våra enheter, vi vill ha fart, effektivitet, och vi vill ha små. Polaritons kan ge svaret, sa Tony Low, en biträdande professor i el- och datorteknik vid University of Minnesota och huvudförfattare till studien.

Genom att excitera polaritonerna i 2D-material, elektromagnetisk energi kan fokuseras ner till en volym som är en miljon gånger mindre jämfört med när den sprider sig i fritt utrymme.

"Lagerade tvådimensionella material har dykt upp som en fantastisk verktygslåda för nanofotonik och nanooptoelektronik, tillhandahålla skräddarsydd design och inställning för egenskaper som inte är möjliga att realisera med konventionella material, sa Frank Koppens, gruppledare vid Institute of Photonic Sciences i Barcelona, Spanien, och medförfattare till studien. "Detta kommer att erbjuda enorma möjligheter för ansökningar."

Andra i teamet från den privata industrin ser också potentialen i praktiska tillämpningar.

"Studien av plasmon-polaritonerna i två dimensioner är inte bara ett fascinerande forskningsämne, men erbjuder också möjligheter för viktiga tekniska tillämpningar, sade Phaedon Avoruris, IBM Fellow vid IBM T. J. Watson Research Center och medförfattare till studien. "Till exempel, ett atomlagermaterial som grafen utökar området för plasmonik till de infraröda och terahertz-områdena i det elektromagnetiska spektrumet, vilket möjliggör unika tillämpningar som sträcker sig från avkänning och fingeravtryck av små mängder biomolekyler, till applikationer inom optisk kommunikation, energiskörd och säkerhetsavbildning."

Den nya studien undersökte också möjligheterna att kombinera 2D-material. Forskare påpekar att varje 2D-material har fördelar och nackdelar. Genom att kombinera dessa material skapas nya material som kan ha de bästa egenskaperna av båda.

"Varje gång vi tittar på ett nytt material, vi hittar något nytt, "Låg sa. "Grafen anses ofta vara ett "under" material, men att kombinera det med ett annat material kan göra det ännu bättre för en mängd olika applikationer."

För att läsa hela forskningsartikeln, med titeln "Polaritoner i skiktade tvådimensionella material, " besök Naturmaterial hemsida.