Ett internationellt team har rapporterat in Natur den första observationen av spökpolaritoner, som är en ny form av ytvågor som bär ljus i nanoskala starkt kopplat med materialoscillationer och med högkollimerade utbredningsegenskaper. Forskargruppen observerade dessa fenomen över ett vanligt material - kalcit - och visade hur spökpolaritoner kan underlätta en överlägsen kontroll av infrarött nanoljus för avkänning, signalbehandling, energiskörd och annan teknik.

Under de senaste åren har nanofotonik vid infraröda och terahertzfrekvenser har blivit viktigt för högkänsliga, ultrakompakta och lågförlustteknologier för biomolekylär och kemisk diagnos, sensorer, kommunikation och andra applikationer. Nanomaterialplattformar som kan underlätta förbättrade ljus-materia-interaktioner vid dessa frekvenser har blivit avgörande för dessa teknologier. Det senaste arbetet har använt lågdimensionella van der Waals-material, som grafen, hexagonal bornitrid och alfa-fas molybdentrioxid (α-MoO3, Naturen 2018), på grund av deras mycket exotiska svar på instängt ljus på nanoskala. Dock, dessa framväxande nanomaterial kräver krävande nanotillverkningstekniker, hindra storskalig nanofotonisk teknik.

Skriver in Natur den 18 augusti 2021, ett mycket samarbetsvilligt internationellt team ledd av forskare vid City University of New York Advanced Science Research Center vid Graduate Center, Huazhong University of Science and Technology (HUST), National University of Singapore (NUS) och National Center for Nanoscience and Technology (NCNST) har rapporterat att kalcit - en välkänd bulkkristall som vanligtvis används i andra teknologier - naturligt kan stödja spökpolaritoner.

Teamet utforskade ljusinteraktioner med kalcit och fann oväntade infraröda fononpolaritonsvar. De visade att kalcit, som lätt kan poleras, kan stödja spökpolariton ytvågor som har komplexa, rörelsemängd utanför planet helt annorlunda än någon observerad ytpolariton hittills.

"Polaritonics är vetenskapen och tekniken för att utnyttja starka interaktioner mellan ljus och materia, och det har revolutionerat optisk vetenskap under de senaste åren, " sa Andrea Alù, Einstein professor i fysik vid Graduate Center och grundare av Photonics Initiative vid Advanced Science Research Center vid CUNY Graduate Center. "Vår upptäckt är det senaste exemplet på den spännande vetenskap och överraskande fysik som kan uppstå från att utforska polaritoner i konventionella material som kalcit."

"Vi använde scattering-typ scanning near-field optical microscopy (s-SNOM) för att undersöka dessa spökpolaritoner, " sa första författaren Weiliang Ma, en Ph.D. kandidat på HUST. "Spännande nog, vi har visat strålliknande nanoljusutbredning i upp till 20 mikrometer, ett rekordlångt avstånd för polaritonvågor vid rumstemperatur."

"Vi har varit glada över att hitta en ny lösning av Maxwells ekvationer med komplexa, momentum utanför planet. Och ännu mer spännande, vi har kunnat observera det i en mycket vanlig kristall." säger Guangwei Hu, medförsta författare, NUS postdoktor och långtidsbesökare på CUNY.

"Denna typ av polaritoner kan ställas in genom sin optiska axel, införa ett nytt sätt att manipulera polaritoner, sa Cheng-Wei Qiu, Dekanusordförande professor vid NUS. "Vi tror att våra fynd kommer att stimulera utforskning av olika optiska kristaller för ljusmanipulation i nanoskala."

Professorerna Debo Hu och Qing Dai från NCNS och Runkun Chen, Ph.D. och professor Xinliang Zhang från HUST har också bidragit väsentligt till detta arbete.