Nano-tip används för ultrahögupplöst avbildning av bildfonon-polaritonerna i hBN som lanseras av guldkristallkanten. Kredit:Jang Research Group
Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) forskare och deras medarbetare hemma och utomlands har framgångsrikt demonstrerat en ny plattform för att styra de komprimerade ljusvågorna i mycket tunna van der Waals-kristaller. Deras metod att styra det mellaninfraröda ljuset med minimal förlust kommer att ge ett genombrott för praktiska tillämpningar av ultratunna dielektriska kristaller i nästa generations optoelektroniska enheter baserade på starka ljus-materia-interaktioner på nanoskala.
Fonon-polaritoner är kollektiva svängningar av joner i polära dielektrika kopplade till elektromagnetiska ljusvågor, vars elektromagnetiska fält är mycket mer komprimerat jämfört med ljusets våglängd. Nyligen visades det att fononpolaritonerna i tunna van der Waals-kristaller kan komprimeras ytterligare när materialet placeras ovanpå en mycket ledande metall. I en sådan konfiguration "reflekteras" laddningar i den polaritoniska kristallen i metallen, och deras koppling med ljus resulterar i en ny typ av polaritonvågor som kallas bildfononpolaritonerna. Högt komprimerade bildlägen ger starka ljus-materia-interaktioner, men är mycket känsliga för substratets grovhet, vilket hindrar deras praktiska tillämpning.
Utmanade av dessa begränsningar, kombinerade fyra forskargrupper sina ansträngningar för att utveckla en unik experimentell plattform med hjälp av avancerade tillverknings- och mätmetoder. Deras resultat publicerades i Science Advances den 13 juli.
En forskargrupp från KAIST ledd av professor Min Seok Jang från School of Electrical Engineering använde ett mycket känsligt scanning near-field optical microscope (SNOM) för att direkt mäta de optiska fälten för de hyperboliska bildfononpolaritonerna (HIP) som fortplantar sig i en 63 nm -tjock platta av hexagonal bornitrid (h-BN) på ett monokristallint guldsubstrat, som visar de mellaninfraröda ljusvågorna i dielektrisk kristall komprimerade hundra gånger.
Professor Jang och en forskarprofessor i hans grupp, Sergey Menabde, fick framgångsrikt direkta bilder av HIP-vågor som utbreder sig för många våglängder, och upptäckte för första gången en signal från den ultrakomprimerade högordningens HIP i vanliga h-BN-kristaller. De visade att fononpolaritonerna i van der Waals-kristaller kan vara betydligt mer komprimerade utan att offra deras livstid.
Detta blev möjligt på grund av de atomiskt släta ytorna på de hemodlade guldkristallerna som användes som substrat för h-BN. Praktiskt taget noll ytspridning och extremt liten ohmsk förlust i guld vid mellaninfraröda frekvenser ger en miljö med låg förlust för HIP-utbredningen. HIP-läget som undersöktes av forskarna var 2,4 gånger mer komprimerat och uppvisade ändå en liknande livslängd jämfört med fononpolaritonerna med ett dielektriskt substrat med låga förluster, vilket resulterade i en dubbelt högre värdesiffra i termer av den normaliserade utbredningslängden.
De ultrasläta monokristallina guldflingorna som användes i experimentet odlades kemiskt av teamet av professor N. Asger Mortensen från Center for Nano Optics vid Syddanmarks Universitet.
Mellaninfrarött spektrum är särskilt viktigt för avkänningstillämpningar eftersom många viktiga organiska molekyler har absorptionslinjer i det mellaninfraröda. Emellertid krävs ett stort antal molekyler av de konventionella detektionsmetoderna för framgångsrik drift, medan de ultrakomprimerade fonon-polaritonfälten kan ge starka ljus-materia-interaktioner på mikroskopisk nivå, vilket avsevärt förbättrar detektionsgränsen ner till en enda molekyl . Den långa livslängden för HIP på monokristallint guld kommer att förbättra detekteringsprestandan ytterligare.
Dessutom visade studien utförd av professor Jang och teamet den slående likheten mellan HIP och grafenplasmonerna. Båda bildlägena har betydligt mer begränsat elektromagnetiskt fält, men deras livslängd förblir opåverkad av den kortare polaritonvåglängden. Denna observation ger ett bredare perspektiv på bildpolaritoner i allmänhet och belyser deras överlägsenhet när det gäller nanoljusvågledning jämfört med de konventionella lågdimensionella polaritonerna i van der Waals-kristaller på ett dielektriskt substrat.
Professor Jang sa:"Vår forskning visade fördelarna med bildpolaritoner, och särskilt bildfononpolaritonerna. Dessa optiska lägen kan användas i framtida optoelektroniska enheter där både lågförlustutbredning och den starka ljus-materia-interaktionen är nödvändig. Jag hoppas att våra resultat kommer att bana väg för förverkligandet av mer effektiva nanofotoniska enheter som metasytor, optiska switchar, sensorer och andra applikationer som arbetar med infraröda frekvenser." + Utforska vidare
