Ett samarbetande forskarlag som leds av professor Shuang Zhang, tillförordnad chef för institutionen för fysik, University of Hong Kong (HKU), tillsammans med professor Qing DAI från National Center for Nanoscience and Technology, Kina, har introducerat en lösning på en utbredd fråga inom nanofotonikens område, som är studiet av ljus i extremt liten skala.
Deras resultat, nyligen publicerade i Nature Materials , föreslå en synthetic complex frequency wave (CFW) tillvägagångssätt för att hantera optisk förlust i polaritonutbredning.
Dessa resultat erbjuder praktiska lösningar, såsom effektivare ljusbaserade enheter för snabbare och mer kompakt datalagring och bearbetning i enheter som datorchips och datalagringsenheter, och förbättrad noggrannhet i sensorer, bildtekniker och säkerhetssystem.
Ytplasmonpolaritoner och fononpolaritoner erbjuder fördelar som effektiv energilagring, lokal fältförbättring och höga känsligheter, och drar nytta av deras förmåga att begränsa ljus i små skalor. Deras praktiska tillämpningar hindras dock av problemet med ohmsk förlust, vilket orsakar energiförlust när de interagerar med naturliga material.
Under de senaste tre decennierna har denna begränsning hindrat framstegen inom nanofotonik för avkänning, superimaging och nanofotoniska kretsar. Att övervinna ohmsk förlust skulle avsevärt förbättra enhetens prestanda, vilket möjliggör framsteg inom avkänningsteknik, högupplöst bildbehandling och avancerade nanofotoniska kretsar.
Professor Shuang Zhang, motsvarande författare till artikeln, förklarade forskningsfokuset:"För att ta itu med utmaningen med optisk förlust i nyckelapplikationer har vi lagt fram en praktisk lösning. Genom att använda en ny syntetisk komplex vågexcitering kan vi uppnå virtuell förstärkning och motverka den inneboende förlusten av polaritonsystemet För att validera detta tillvägagångssätt tillämpade vi det på fononpolaritonförökningssystemet och observerade en betydande förbättring av polaritonutbredningen."
"Vi visade vårt tillvägagångssätt genom att utföra experiment med fononpolaritonmaterial, som hBN och MoO3 , i det optiska frekvensområdet. Som väntat fick vi ett nästan förlustfritt spridningsavstånd i överensstämmelse med våra teoretiska förutsägelser", tillade Dr Fuxin Guan, tidningens första författare och postdoktor vid institutionen för fysik vid HKU.
Multifrekvensmetod för att övervinna optisk förlust
I denna forskning utvecklade teamet en ny flerfrekvensmetod för att ta itu med energiförlust vid polaritonutbredning. De använde en speciell typ av våg som kallas "komplexa frekvensvågor" för att uppnå virtuell förstärkning och kompensera för förlusten i ett optiskt system. Medan en vanlig våg bibehåller en konstant amplitud eller intensitet över tiden, uppvisar en komplex frekvensvåg både oscillation och förstärkning samtidigt. Denna egenskap möjliggör en mer omfattande representation av vågbeteende och möjliggör kompensation för energiförlust.
Även om frekvens vanligtvis uppfattas som ett reellt tal, kan den också ha en imaginär del. Denna imaginära del berättar för oss hur vågen antingen blir starkare eller svagare med tiden. Vågor med en komplex frekvens med en negativ (positiv) imaginär del avtar (förstärks) över tiden. Att direkt bära vår mätning under excitation av komplexa frekvensvågor i optik är utmanande eftersom det kräver komplexa tidsstyrda mätningar.
För att övervinna detta använde forskarna det matematiska verktyget Fourier Transformation för att bryta ner en trunkerad komplex frekvensvåg (CFW) i flera komponenter med individuella frekvenser.
Precis som när du lagar mat och behöver en specifik ingrediens som är svår att hitta, använde forskarna en liknande idé. De bröt ner de komplexa frekvensvågorna till enklare komponenter, som att använda ersättningsingredienser i ett recept. Varje komponent representerade en annan aspekt av vågen. Det är som att skapa en läcker maträtt genom att använda ersättningsingredienser för att få den önskade smaken.
Genom att mäta dessa komponenter vid olika frekvenser och kombinera data, rekonstruerade de beteendet hos systemet upplyst av den komplexa frekvensvågen. Detta hjälpte dem att förstå och kompensera för energiförlusten. Detta tillvägagångssätt förenklar avsevärt den praktiska implementeringen av CFWs i olika applikationer, inklusive polaritonutbredning och superimaging.
Genom att utföra optiska mätningar vid olika verkliga frekvenser med ett fast intervall blir det möjligt att konstruera systemets optiska respons vid en komplex frekvens. Detta uppnås genom att matematiskt kombinera de optiska svaren som erhålls vid olika verkliga frekvenser.
Professor Qing Dai, National Center for Nanoscience and Technology och en annan motsvarande författare till artikeln, uppgav att detta arbete har tillhandahållit en praktisk lösning för att ta itu med den långvariga frågan om optisk förlust i nanofotonik.
Han lyfte fram betydelsen av den syntetiserade komplexa frekvensmetoden och angav att den lätt kan tillämpas på olika andra applikationer som molekylär avkänning och nanofotoniska integrerade kretsar. Han betonade vidare att "denna metod är anmärkningsvärd och universellt tillämpbar, eftersom den också kan användas för att ta itu med förluster i andra vågsystem, inklusive ljudvågor, elastiska vågor och kvantvågor, och därigenom förbättra kvaliteten på bildbehandling till oöverträffade nivåer."
Experimentell demonstration
Som ett bevis på konceptet började teamet med phonon polaritons (PhPs) propagation vid optiska frekvenser omkring 1 450 cm -1 med hjälp av hBN-filmer. En lång guldantenn placerad på hBN-filmen används för att starta 1D PhPs. Fältfördelningarna för de två reella frekvenserna och de två komplexa frekvenserna visas i Fig. 2a respektive 2b.
De experimentella resultaten visar att medan utbredningen vid de verkliga frekvenserna lider av stark dämpning, upplever polaritonen vid de komplexa frekvenserna nästan inget avklingande längs utbredningen.
Teamet tillämpade vidare den komplexa frekvensmetoden för att undersöka de mer komplicerade fältfördelningarna som stöds av en tunn film av van der Waals kristall α-MoO3 , som är mycket anisotropisk och stöder naturliga hyperboliska polaritoner i planet.
En metallantenn som excitationskälla placeras på α-MoO3 film som visas i fig. 3a. Fältfördelningsvariationen uppvisar ett karakteristiskt hyperboliskt utbredningsbeteende med en konkav vågfront (se fig. 3b).
Med ökningen av frekvensen minskar våglängden med en starkare fältbegränsning, och under tiden blir utbredningen mer dämpad. Alla dessa realfrekvensdiagram kombineras enligt förhållandet mellan komplex frekvens för att erhålla det komplexa frekvensresultatet i fig. 3c.
Teamet undersökte slutligen interferensbeteendet hos PhPs med hjälp av den komplexa frekvensmetoden. Två cirkulära antenner med olika diametrar är tillverkade på MoO3 film för att excitera fononpolaritonerna, som visas i fig. 3d.
Medan de verkliga frekvensdiagrammen inte kan visa tydliga interferensfransar, som visas i Fig. 3e, kan de komplexa frekvensplotterna av tydliga interferensfransar syntetiseras efter att ha kombinerat resultaten av olika verkliga frekvenser och som visas i Fig. 3f.
Mer information: Fuxin Guan et al, Kompensering av förluster i polaritonutbredning med syntetiserad komplex frekvensexcitering, Naturmaterial (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01787-8
Journalinformation: Naturmaterial
Tillhandahålls av University of Hong Kong
