En forskargrupp ledd av forskare vid Advanced Science Research Center vid The Graduate Center, CUNY (CUNY ASRC), i samarbete med National University of Singapore, University of Texas i Austin och Monash University, har använt "twistronics"-koncept (vetenskapen om skiktning och vridning av tvådimensionella material för att kontrollera deras elektriska egenskaper) för att manipulera ljusflödet på extrema sätt. Resultaten, publiceras i tidskriften Natur , hålla löftet om framsteg inom en mängd ljusdrivna tekniker, inklusive nano-avbildningsenheter; hög hastighet, optiska lågenergidatorer; och biosensorer.

Teamet tog inspiration från den senaste upptäckten av supraledning i ett par staplade grafenlager som roterades till den "magiska vridningsvinkeln" på 1,1 grader. I den här konfigurationen, elektroner flödar utan motstånd. Separat, varje grafenlager visar inga speciella elektriska egenskaper. Upptäckten har visat hur noggrann kontroll av rotationssymmetrier kan avslöja oväntade materialsvar.

Forskargruppen upptäckte att en analog princip kan tillämpas för att manipulera ljus på mycket ovanliga sätt. Vid en specifik rotationsvinkel mellan två ultratunna lager av molybdentrioxid, forskarna kunde förhindra optisk diffraktion och möjliggöra robust ljusutbredning i en tätt fokuserad stråle vid önskade våglängder.

Vanligtvis, ljus som utstrålas från en liten sändare placerad över en plan yta expanderar i cirklar ungefär som vågorna som exciteras av en sten som faller i en damm. I sina experiment, forskarna staplade två tunna ark av molybdentrioxid – ett material som vanligtvis används i kemiska processer – och roterade ett av lagren i förhållande till det andra. När materialen exciterades av en liten optisk sändare, de observerade brett kontrollerbar ljusemission över ytan när rotationsvinkeln varierades. Särskilt, de visade att vid den fotoniska magiska vridningsvinkeln stöder det konfigurerade dubbelskiktet robusta, diffraktionsfri ljusutbredning i hårt fokuserade kanalstrålar över ett brett spektrum av våglängder.

"Medan fotoner - ljusets kvanta - har mycket andra fysikaliska egenskaper än elektroner, vi har fascinerats av den framväxande upptäckten av twistronics, och har undrat om vridna tvådimensionella material också kan ge ovanliga transportegenskaper för ljus, för att gynna fotonbaserad teknik, " sa Andrea Alù, grundare av CUNY ASRC:s Photonics Initiative och Einstein professor i fysik vid The Graduate Center. "För att avslöja detta fenomen, vi använde tunna lager av molybdentrioxid. Genom att stapla två av sådana lager ovanpå varandra och kontrollera deras relativa rotation, vi har observerat dramatisk kontroll av de ljusledande egenskaperna. Vid den fotoniska magiska vinkeln, ljus bryts inte, och den fortplantar sig mycket begränsat längs raka linjer. Detta är en idealisk funktion för nanovetenskap och fotonisk teknik."

"Vår upptäckt var baserad på ett ganska specifikt material och våglängdsområde, men med avancerad nanotillverkning kan vi mönstra många andra materialplattformar för att replikera dessa ovanliga optiska egenskaper över ett brett spektrum av ljusvåglängder, " sa National University of Singapore (NUS) doktorand Guangwei Hu, som är första författare till studien och en långvarig gästforskare med Alùs grupp. "Vår studie visar att twistronics för fotoner kan öppna verkligt spännande möjligheter för ljusbaserad teknologi, och vi är glada över att fortsätta utforska dessa möjligheter, " sa prof. C.W. Qiu, Herr Hus medrådgivare vid NUS.