Fysiker har hittat ett sätt att kontrollera längden och styrkan hos atomrörelsens vågor som kallas polaritoner som har lovande potentiella användningsområden, till exempel finskalig bildbehandling och överföring av information inom trånga utrymmen. Heterostrukturer gjorda av grafen och sexkantiga bornitrid stöder hybridplasmon-fononpolitroner som kan ställas in elektroniskt.

Forskarna mätte vågor som kallas polaritoner som kan dyka upp när ljus interagerar med materia. Genom att kombinera två material, de producerade hybridpolaritoner som sprider sig genom många lager av ett kristallint material och kan styras med en enkel elektrisk grind. Laget, ledd av Dimitri Basov och Michael Fogler, professorer i fysik vid University of California, San Diego, rapportera deras framgångar i Naturnanoteknik .

"Vårt arbete visar att nya egenskaper hos polaritoniska vågor kan uppnås genom att artificiellt kombinera olika material, "sade Siyuan Dai, en doktorand i Basovs grupp som ansvarar för mycket av det experimentella arbetet, och huvudförfattaren till rapporten. "Hybridpolaritonerna är starkare och kan föröka sig längre och har därmed större potential i applikationer."

Detta samarbetslag var ett av två som först demonstrerade polaritoner i enkelatomlager av kol som kallas grafen. I grafen, infrarött ljus lanserar krusningar genom elektronerna vid ytan av detta metallliknande material som kallas ytplasmonpolaritoner som forskarna kunde styra med en enkel elektrisk krets.

Infrarött ljus kan också starta polaritoner inom en annan typ av tvådimensionell kristall som kallas hexagonal bornitrid. Atomrörelsevågor som kallas fononpolaritoner sprider sig genom plattor av hBN som bildas av staplar av de arkliknande kristallerna. Basovs och Foglers forskargrupper har tidigare visat att varierande antal lager av hBN kan kontrollera vågformen av fononpolaritonerna.

Men en gång tillverkad, en anordning gjord av hBN skulle begränsa fononpolaritoner till ett enda smalt område av våglängder och amplituder.

Genom att toppa en stapel hBN med ett enda lager grafen, laget har skapat ett smidigt nytt material med hybridpolaritoner som sprider sig genom hela den kristallina plattan men kan justeras med en elektronisk grind.

De två slags polaritoner blir kopplade, en teoretisk övervägande bestämd och experimentella bevis bekräftade. Som ett resultat, detta konstgjorda material manipulerar elektromagnetisk strålning - ljus - på sätt som aldrig observerats i naturmaterial. Det passar definitionen av ett metamaterial, en klass av strukturer som först realiserades vid UC San Diego för 15 år sedan som börjar exponeras för potentiell praktisk användning.

"Våra strukturer är gjorda av det nya undermaterialet grafen och dess kusin bornitrid, vilket ger dem flera fördelar jämfört med traditionella metallbaserade metamaterial. De viktigaste fördelarna inkluderar enorm grad av justerbarhet, relativt låga förluster, och ultraliten tjocklek, Sa Fogler.

"Vi har nu visat en helt ny klass av elektromagnetiska metamaterial som är tillverkade av separata atomplan av van der Waals -material, "Sade Basov." Elektromagnetiska metamaterial revolutionerar bild- och sensorteknik. Sedan den första demonstrationen har dessa system redan avancerat till praktiska tillämpningar. "