Illustration av riktad nanolight som sprider sig längs ett tunt lager molybden -trioxid. Upphovsman:Shaojuan Li
Ett internationellt forskargrupp rapporterar att ljus som är begränsat i nanoskala förökar sig endast i specifika riktningar längs tunna plattor av molybdentrioxid, ett naturligt anisotropiskt 2-D-material. Förutom dess unika riktningskaraktär, detta nanolight förökar sig exceptionellt länge, och har därmed möjliga tillämpningar inom signalbehandling, avkänning och värmehantering på nanoskala.
Framtida informations- och kommunikationsteknik kommer att förlita sig på manipulation av inte bara elektroner utan även ljus i nanometerskala. Att begränsa ljuset till ett så litet område har varit ett stort mål inom nanofotonik i många år. En framgångsrik strategi är användningen av polaritoner, som är elektromagnetiska vågor som härrör från kopplingen av ljus och materia. Särskilt stark ljusklämning kan uppnås med polaritoner vid infraröda frekvenser i 2-D-material, såsom grafen och hexagonal bornitrid. Forskare har uppnått extraordinära polaritoniska egenskaper såsom elektrisk avstämning av grafenpolaritoner med dessa material, men polaritonerna har alltid befunnits föröka sig längs alla materialytor, förlorar därmed energi snabbt, vilket begränsar deras tillämpningspotential.
Nyligen, forskare förutspådde att polaritoner kan föröka sig anisotropiskt längs ytorna på 2-D-material där de elektroniska eller strukturella egenskaperna är olika längs olika riktningar. I detta fall, polaritonernas hastighet och våglängd beror starkt på i vilken riktning de sprider sig. Denna egenskap kan leda till mycket riktad polaritonutbredning i form av nanoskala begränsade strålar, som kan hitta framtida tillämpningar inom avkänningsområden, värmehantering och kvantberäkning.
Nu, ett internationellt team som leds av Qiaoliang Bao (Monash Engineering, Melbourne, Australien), Pablo Alonso-González (University of Oviedo, Spanien) och Rainer Hillenbrand (CIC nanoGUNE, San Sebastián, Spanien) har upptäckt ultra-begränsade infraröda polaritoner som bara förökar sig i specifika riktningar längs tunna plattor av det naturliga 2-D-materialet molybden-trioxid (α-MoO 3 ).
"Vi hittade α-MoO 3 att vara en unik plattform för infraröd nanofotonik, "säger Qiaoliang Bao.
"Det var fantastiskt att upptäcka polaritoner på vår α-MoO 3 tunna flingor som bara reser längs vissa riktningar, "säger Weiliang Ma, doktorand och medförfattare.
"Tills nu, den riktade utbredningen av polaritoner har observerats experimentellt endast i artificiellt strukturerade material, där den ultimata polaritonförvaringen är mycket svårare att uppnå än i naturmaterial, "tillägger den första författaren Shaojuan Li.
Förutom riktad utbredning, studien avslöjade också att polaritonerna på α-MoO 3 kan ha en utomordentligt lång livslängd. "Ljus verkar ta en nanoskala motorväg på α-MoO 3 ; den färdas längs vissa riktningar med nästan inga hinder, "säger Pablo Alonso-González, medförfattare till tidningen. Han lägger till, "Våra mätningar visar att polaritoner på α-MoO 3 lever upp till 20 pikosekunder, som är 40 gånger större än den bästa möjliga polaritons livslängd i grafen av hög kvalitet vid rumstemperatur. "
Eftersom polaritonernas våglängd är mycket mindre än ljusets, forskarna var tvungna att använda ett speciellt mikroskop, ett så kallat nära-fält optiskt mikroskop, att bilda dem. "Upprättandet av denna teknik sammanföll perfekt med uppkomsten av nya van der Waals -material, möjliggör avbildning av en mängd unika och till och med oväntade polaritoner under de senaste åren, "tillägger Rainer Hillenbrand.
För en bättre förståelse av de experimentella resultaten, forskarna utvecklade en teori som gjorde det möjligt för dem att extrahera sambandet mellan polaritons momentum i α-MoO 3 med sin energi. "Vi har insett att det ljuset pressat in α-MoO 3 kan bli "hyperbolisk, "att få energi och vågfronter att sprida sig i olika riktningar längs ytan, vilket kan leda till intressanta exotiska effekter i optik som negativ brytning eller superlensning, "säger Alexey Nikitinof Donostia International Physics Center (DIPC), som utvecklade teorin i samarbete med Javier Taboada-Gutiérrez och Javier Martín-Sánchez och postdoktorala forskare vid Alonso-Gonzalez´ grupp.
Det nuvarande arbetet är bara början på en serie studier som fokuserar på riktningskontroll och manipulation av ljus med hjälp av ultra-low-loss-polaritoner i nanoskala, vilket kan gynna utvecklingen av effektivare nanofotoniska enheter för optisk avkänning och signalbehandling eller värmestyrning.
