Forskare har visat att en likspänning som appliceras på lager av grafen och bornitrid kan användas för att kontrollera ljusutsläpp från en närliggande atom. Här, grafen representeras av ett rödbrunfärgat toppskikt; bornitrid representeras av gulgröna gitter under grafenen; och atomen representeras av en grå cirkel. En låg koncentration av likspänning (i blått) gör att ljuset kan sprida sig inuti bornitrid, bildar en tätt begränsad vågledare för optiska signaler. Upphovsman:Anshuman Kumar Srivastava och Jose Luis Olivares/MIT
Forskare har hittat ett sätt att koppla ihop egenskaperna hos olika tvådimensionella material för att ge en exceptionell grad av kontroll över ljusvågor. De säger att detta har potential att leda till nya typer av ljusdetektering, värmehanteringssystem, och högupplösta bildanordningar.
De nya fynden-med ett lager av en atomtjock grafen avsatt ovanpå ett liknande 2-D-lager av ett material som kallas hexagonal bornitrid (hBN)-publiceras i tidskriften Nano bokstäver . Verket är medförfattare av MIT-docent i maskinteknik Nicholas Fang och doktorand Anshuman Kumar, och deras medförfattare vid IBMs T.J. Watson Research Center, Hong Kong Polytechnic University, och University of Minnesota.
Även om de två materialen är strukturellt lika-båda sammansatta av sexkantiga grupper av atomer som bildar tvådimensionella ark-interagerar de var och en med ljus ganska olika. Men forskarna fann att dessa interaktioner kan vara komplementära, och kan koppla ihop på ett sätt som ger mycket kontroll över ljusets beteende.
Hybridmaterialet blockerar ljus när en viss spänning appliceras på grafen, samtidigt som man tillåter en speciell typ av utsläpp och förökning, kallas "hyperbolicitet, "när en annan spänning appliceras - ett fenomen som inte tidigare setts i optiska system, Säger Fang. En av konsekvenserna av detta ovanliga beteende är att ett extremt tunt materialark kan interagera starkt med ljus, låter balkar styras, tratt, och styrs av spänningar applicerade på arket.
"Detta ger en ny möjlighet att skicka och ta emot ljus över ett mycket trångt utrymme, "Fang säger, och kan leda till "unikt optiskt material som har stor potential för optiska sammankopplingar." Många forskare ser förbättrad sammankoppling av optiska och elektroniska komponenter som en väg till mer effektiva beräknings- och bildsystem.
En högre koncentration av elektrisk laddning i grafen (i rött) "stöter bort" ljuset som kommer från atomen. Upphovsman:Anshuman Kumar Srivastava och Jose Luis Olivares/MIT
Ljus interaktion med grafen producerar partiklar som kallas plasmoner, medan ljus som interagerar med hBN producerar fononer. Fang och hans kollegor fann att när materialen kombineras på ett visst sätt, plasmonerna och fononerna kan kopplas ihop, ger en stark resonans.
Grafens egenskaper möjliggör exakt kontroll över ljus, medan hBN ger mycket stark inneslutning och vägledning av ljuset. Genom att kombinera de två gör det möjligt att skapa nya "metamaterial" som gifter sig med fördelarna med båda, säger forskarna.
Phaedon Avouris, en forskare vid IBM och medförfattare till uppsatsen, säger, "Kombinationen av dessa två material ger ett unikt system som möjliggör manipulering av optiska processer."
De kombinerade materialen skapar ett avstämt system som kan justeras så att endast ljus av vissa specifika våglängder eller riktningar kan spridas, de säger. "Vi kan börja selektivt välja några frekvenser [för att släppa igenom], och avvisa några, "Säger Kumar.
Dessa egenskaper bör göra det möjligt, Fang säger, för att skapa små optiska vågledare, cirka 20 nanometer i storlek - samma storleksintervall som de minsta funktionerna som nu kan produceras i mikrochips. Detta kan leda till chips som kombinerar optiska och elektroniska komponenter i en enda enhet, med mycket lägre förluster än när sådana enheter tillverkas separat och sedan sammankopplas, de säger.
Medförfattare Tony Low, en forskare vid IBM och University of Minnesota, säger, "Vårt arbete banar väg för att använda 2-D-material-heterostrukturer för att konstruera nya optiska egenskaper på begäran."
En annan potentiell applikation, Fang säger, kommer från möjligheten att slå på och av en ljusstråle vid materialets yta; eftersom materialet naturligt fungerar vid nära-infraröda våglängder, detta kan möjliggöra nya vägar för infraröd spektroskopi, han säger. "Det kan till och med möjliggöra upplösning av en molekyl, "Fang säger, av biomolekyler placerade på hybridmaterialets yta.
Sheng Shen, en biträdande professor i maskinteknik vid Carnegie Mellon University som inte var inblandad i denna forskning, säger, "Detta arbete representerar betydande framsteg när det gäller att förstå avstämbara ljusinteraktioner i grafen-hBN." Arbetet är "ganska kritiskt" för att ge den förståelse som behövs för att utveckla optoelektroniska eller fotoniska enheter baserade på grafen och hBN, han säger, och "skulle kunna ge direkt teoretisk vägledning för att designa sådana typer av apparater. ... Jag är personligen mycket upphetsad över detta nya teoretiska arbete."
Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.
