Sinds de ontwikkeling van diffractieve optische elementen in de jaren 70, onderzoekers hebben in toenemende mate geavanceerde fundamentele principes van optica ontdekt om de bestaande omvangrijke optische elementen te vervangen door dunne en lichtgewicht tegenhangers. De pogingen hebben onlangs geleid tot nanofotonische meta-oppervlakken die platte optica bevatten die is gemaakt van dichte arrays van metalen of halfgeleider nanostructuren. Dergelijke structuren kunnen de lokale lichtverstrooiingsfase en amplitude effectief regelen op basis van plasmonische of Mie-resonanties. Wetenschappers hebben de twee soorten resonanties bestudeerd om optica met een kleine vormfactor te realiseren die multifunctionaliteit en controle over het lichtveld bieden. Hoewel dergelijke meta-oppervlakfuncties statisch zijn gebleven, het is zeer wenselijk om dynamische controle te bereiken voor opkomende fotonische toepassingen zoals lichtrichting en -bereik (LIDAR) voor 3-dimensionale (3-D) mapping. Plasmonische en Mie-resonanties bieden slechts een zwakke elektrische afstembaarheid, maar tientallen jaren van onderzoek naar optische modulatie beschrijven excitonmanipulatie als sterker om optische eigenschappen van een materiaal te beheersen.

De cruciale rol die excitonen kunnen spelen tijdens manipulatie van optische golffronten moet nog worden begrepen en gedemonstreerd met atomair dunne optische elementen. In een nieuwe studie die nu is gepubliceerd op Natuurfotonica , Jorik van de Groep en een team van onderzoekers in Advanced Materials aan de Stanford University en het College of Optics and Photonics aan de University of Central Florida, De VS hebben een atomair dun optisch element ontwikkeld dat actief kan worden gecontroleerd. Ze sneden het substraat rechtstreeks uit een monolaag van wolfraamdisulfide (WS ₂ ). Het materiaal vertoonde een sterke excitonische resonantie in het zichtbare spectrale bereik. In plaats van de typische benadering om de grootte en vorm van geometrisch resonerende antennes te ontwerpen, het team ontwierp de meta-oppervlakken gemaakt van 2-dimensionale (2-D) excitonische materialen door de resonantie van het materiaal te wijzigen. Door de opstelling van 2D-materialen te optimaliseren, ze bereikten specifieke optische functies - om resonante en afstembare interacties tussen licht en materie te realiseren.

Afstembare atomair dunne zone plaatlens

Om het belang van excitonresonanties in de werking van de platte lens te benadrukken, het team heeft de ringen van WS . bekeken ₂ als de bronnen van verspreide velden, aangedreven door een invallende vlakke golf. De lokaal gegenereerde verstrooide velden waren evenredig met de polarisatie van de WS ₂ materiaal, de wetenschappers verwachtten de sterkste verstrooiing in de buurt van de excitonresonantie, waarbij de grootte van complexe elektrische gevoeligheid (aangeduid met x) het grootst was. De experimentele opstelling bereikte een aanzienlijk hogere focusefficiëntie met geëxfolieerde materialen van hogere kwaliteit waarbij de exciton-lijnbreedte aanzienlijk was verminderd.

Hoewel deze lens voor niet-resonante golflengten vrijwel onzichtbaar was voor het menselijk oog, het zou belangrijke informatie uit zijn omgeving kunnen vastleggen, zodat de intensiteit in de focus de intensiteit van de invallende vlakke golf ruimschoots zou overschrijden. Spectrale afhankelijkheid van de focusseringsefficiëntie hing af van de complexe materiële gevoeligheid van de WS ₂ monolaag. De wetenschappers konden het verstrooide veld niet experimenteel isoleren, maar ze verzamelden het zwak verstrooide licht van een groot gebied om te bepalen dat de brandpuntsintensiteit van de experimentele zoneplaten hoog was en grotendeels gebaseerd op de WS ₂ materiaal.

Het team controleerde de focusefficiëntie van de lens door de excitonresonantie van de WS . te veranderen ₂ materiaal met behulp van elektrische poorten. Voor deze, ze analyseerden de geïnduceerde reflectiviteitsveranderingen van een eenvoudige 20 x 20 µm ² vierkante patch geïsoleerd van monolaag WS _2, als functie van de aangelegde poortspanning. Ze observeerden een volledige verwijdering van de excitonische resonanties om een ​​van de grootst mogelijke veranderingen in gevoeligheid te produceren. Deze excitononderdrukking was ook volledig omkeerbaar en zeer reproduceerbaar. De waarnemingen benadrukten de voordelen van excitonische resonanties in vergelijking met plasmonische en Mie-type resonanties die zowel moeilijker af te stemmen als te onderdrukken zijn.

De onderzoekers profiteerden vervolgens van de grote afstembaarheid van de excitonresonanties om de intensiteit in het brandpunt van een lens te regelen. Ze maten experimenteel het vermogen in de focus als een functie van de golflengte genormaliseerd naar het vermogen dat invalt op de zoneplaatlens om het focusefficiëntiespectrum te begrijpen. De resultaten gaven aan dat gefocuste excitonische lichtverstrooiing de directe substraattransmissie domineerde. Toen het team een ​​3-volt gate-bias toepaste op de WS ₂ /grafeen heterostructuur om de excitonresonantie te onderdrukken, ze observeerden volledige onderdrukking van de asymmetrische excitonische lijn. Gebruik vervolgens omkeerbaar schakelen van de excitonresonantie, ze herstelden de neutrale resonantietoestand.

De resultaten waren consistent met de waarneming van lijnbreedtevernauwing in reflectiemetingen op de patch-apparaten. De gemeten focusseringsefficiëntie was relatief laag en beperkt vanwege de relatief lage materiaalkwaliteit van de commerciële WS ₂ . Bijvoorbeeld, hoogwaardige ingekapselde monolagen van kleine vlokmolybdeendiselenide (MOSe ₂ ) kan een optische reflectie tot 80 procent bereiken. Wetenschappers kunnen daarom de grootschalige groei van hoogwaardige monolaag overgangsmetaal dichalcogeniden (TMDC's) zoals WS verbeteren ₂ om de scherpstellingsefficiëntie sterk te verbeteren.

Het onderzoeksteam voerde kamertemperatuur uit, actieve manipulatie van de excitonresonantie in een groot gebied om dynamische lichtintensiteitsregeling in de focus van de 2D-materiaalzoneplaatlens te demonstreren. Ze schakelden reproduceerbaar tussen de exciton-gedomineerde en exciton-uitgedoofde toestanden om actieve controle over de excitonische lichtverstrooiingsamplitude te bereiken. De responstijd en asymmetrie in de opstelling waren het gevolg van ion-transport beperkte complexvorming en door de demontage van de ionisch-vloeistof elektrische dubbellaag. Als resultaat, de wetenschappers stellen voor om solid-state gating-schema's te implementeren in plaats van ionische vloeistof-gating om de responstijd van het apparaat met ordes van grootte te vergroten, die momenteel beperkt is vanwege fabricage-uitdagingen.

Op deze manier, Jorik van de Groep en collega's demonstreerden het belang van resonanties van excitonische materialen om atomair dunne optische lenzen te bedienen. Ze stellen zich voor dat meer geavanceerde poortschema's met lokale en verweven poortelektroden excitonische optische apparaten met complexere functionaliteiten zoals afstembare brandpuntsafstanden of bundelbesturing zullen vergemakkelijken. Het werk opent een geheel nieuwe benadering voor het ontwerpen van dynamische platte optica en meta-oppervlakken voor toepassingen bij het aftappen van bundels in de vrije ruimte, wavefront manipulatie en in augmented/virtual reality.

© 2020 Wetenschap X Netwerk