Kvantoptik, spintronik och diffraktionsfri avbildning med låg förlust är bland de teknologier som kan dra nytta av nyligen förutspådda effekter i fotoniska strukturer med vridna dubbelskikt. Verket hämtar inspiration från ett växande fält av forskning om kondenserad materia - "twistronics, " där elektroniskt beteende kan förändras dramatiskt genom att kontrollera vridningen mellan lager av 2D-material.

När Pablo Jarillo-Herrero och hans grupp tillkännagav observationer av elektroniska egenskaper avstämda mellan supraledande och Mott-isolerande tillstånd fanns det spänning inte bara bland de forskare som arbetade nära grafen och 2D-material utan många andra områden. Naturligtvis, inte alla forskarsamhällen förväntade sig att hitta associerade fenomen i de system de studerade.

"Det fanns ingen anledning att tro att detta skulle hända inom fotonik - effekterna härrör från korrelerade elektroner och vi arbetar istället med fotoner, " förklarar Andrea Alù, Einstein professor vid City University of New York (CUNY). Ändå i en nyligen Nanobokstäver papper, han och kollegor på CUNY, National University of Singapore, och University of Texas i Austin har rapporterat teoretiska förutsägelser om fotoniska beteendeförändringar med vridning som på många sätt är analoga med de förändringar i elektroniskt beteende som först observerades i tvåskiktsgrafen.

Flatband

När du vrider ett periodiskt rutnät i förhållande till ett annat ovanpå, nya "Moiré"-mönster dyker upp som kan få dina ögon att känna sig yr. Liknande, vridning av ett lager av bikakeformat grafen-atomgitter med avseende på ett annat ger ett Moiré-supergitter med vridberoende egenskaper. De periodiska potentialfälten förändras med dramatiska effekter på hur elektroner rör sig, vilket påverkar hur de tillgängliga energinivåerna eller banden förändras med elektronens rörelsemängd. Vid en "magisk vinkel" på 1,1° – oerhört besvärligt att uppnå i experiment – ​​plattar lutningen helt ut, en skarp kontrast till den branta förändringen i energi med momentum som finns i enskiktsgrafen. Det var när han hörde om dessa "platta band" som Alùs öron spetsade eftersom de hade lagt märke till fotoniska platta band i de metasytesystem som de studerade.

I metamaterial, materialets sammansättning och struktur kan ge det optiska egenskaper som inte skulle finnas i naturen, såsom negativa brytningsindex eller en extremt asymmetrisk "hyperbolisk" optisk respons. I allmänhet, ljus som kommer från en punktkälla krusar utåt i ringar som vågor från en sten som tappas i en damm. Men i ett metamaterial konstruerat så att det optiska svaret i en riktning skiljer sig från den vinkelräta riktningen blir ringarna elliptiska.

Ta den asymmetrin till det yttersta, och vågorna bildar inte längre slutna ringar alls, men lyft längs en hyperbel som en raket med flykthastighet. Effekten kan vara lockande i metamaterial, som tenderar att vara mycket förlustiga, så lite ljus blir väldigt långt ändå. Metasytor, dock, ger samma effekt, men på ytan, där du verkligen kan börja utnyttja de förbättrade ljus-materia-interaktionerna från dessa hyperboliska optiska svar.

Att skära grafen i långa remsor påverkar också hur det beter sig, och 2015, Alù och hans grupp visade att grafen nanoband kunde bete sig som en slags metayta. Ljus som sken på ett grafennanorband skickar ett stort antal elektroner som oscillerar unisont som svar på det infallande elektromagnetiska fältet - "en plasmon". Ännu mer intressant i en periodisk grill av grafen nanoband är dessa plasmoner hyperboliska.

"Anledningen till att plattbandet i tvinnat tvåskiktsgrafen gav resonans hos oss är om du tar en grafen nanobandyta, det finns ett brett spektrum av frekvenser som ger en hyperbolisk utbredning men vid en punkt blir den elliptisk – det finns ett platt band för ljus, säger Alù.

Det fotoniska flatbandet innebär att ljuset färdas utan diffraktion och växelverkan mellan lätt materia maximeras. Haken är att materialet också är i resonans vid denna tidpunkt, vilket innebär att förlusten är maximal. Alù och kollegor undrade om flatbandet i vridet tvåskiktsgrafen och kollegor om stapling av två grafen-nanorribbon-metasytor kunde ge viss vridningskontroll över dessa fotoniska flatband.

Vriden fotonik

Alù och hans kollegor studerade Greens funktion hos nanorribbon-grillarna i två lager av grafen för att utvärdera det optiska beteendet. De fann att de två skikten kopplar ihop vilket ger ett plasmonläge med två energier för hela dubbelskiktssystemet. Dessutom, frekvensen för flatbandet skiftar så att maximala ljusmaterialinteraktioner är möjliga när materialen inte är i resonans. Till sist, övergångarna för deras system sker runt 45° - mycket större och mer experimentellt tillgänglig än den magiska vinkeln i grafen dubbelskiktssystem, återspeglar den större periodiciteten hos nanorbandsgrillen. Eftersom vinkeln är frekvensberoende är det möjligt att svepa genom frekvenser för att hitta den exakta sötpunkten för systemet.

Faktum är att "kanalisering" - den diffraktionsfria fortplantningen av ljus som sker vid flatbandspunkten - har redan observerats i en stråle som skickas genom två optiska gitter av ljus vid specifika vridningsvinklar. Metasytorna som beskrivits av Alù och kollegor tillhandahåller ytterligare ett fotoniksystem för att utforska vridningseffekter som kan vara lättare att producera än magisk vinkel dubbelskiktsgrafen, samt lyfta fram lite ny fysik. "Till mig, den mest spännande delen är skönheten i hur du kan förutsäga detta utifrån rent geometriska formler, säger Alù.

Dessutom, de fotoniska flatbandseffekterna kan visa sig användbara för applikationer – i synnerhet kvantoptik och bildbehandling. "Människor frågar ofta - hur förbättrar vi interaktionen mellan instängda ljussändare med materia, och hur dirigerar vi den förbättrade emissionen utan diffraktion?" säger Alù. "Detta är en idealisk plattform – det är bredband och du kan ställa in frekvensen."

© 2020 Science X Network