Een internationaal team heeft gerapporteerd in Natuur de eerste waarneming van spookpolaritonen, die een nieuwe vorm van oppervlaktegolven zijn die licht op nanoschaal dragen, sterk gekoppeld aan materiaaloscillaties en met sterk gecollimeerde voortplantingseigenschappen. Het onderzoeksteam observeerde deze verschijnselen over een veelvoorkomend materiaal - calciet - en liet zien hoe spookpolaritonen een superieure controle van infrarood nanolicht voor detectie kunnen vergemakkelijken, signaalverwerking, energiewinning en andere technologieën.

In recente jaren, nanofotonica op infrarood- en terahertz-frequenties is belangrijk geworden voor zeer gevoelige, ultracompacte en verliesarme technologieën voor biomoleculaire en chemische diagnose, sensoren, communicatie en andere toepassingen. Nanomateriaalplatforms die verbeterde licht-materie-interacties bij deze frequenties kunnen vergemakkelijken, zijn essentieel geworden voor deze technologieën. Recent werk heeft gebruik gemaakt van laagdimensionale Van der Waals-materialen, zoals grafeen, hexagonaal boornitride en alfafase molybdeentrioxide (α-MoO3, natuur 2018), vanwege hun zeer exotische reactie op beperkt licht op nanoschaal. Echter, deze opkomende nanomaterialen vereisen veeleisende nanofabricagetechnieken, het belemmeren van grootschalige nanofotonische technologieën.

Inschrijven Natuur op 18 augustus 2021, een zeer collaboratief internationaal team onder leiding van wetenschappers van het Advanced Science Research Center van de City University of New York in het Graduate Center, Huazhong Universiteit voor Wetenschap en Technologie (HUST), National University of Singapore (NUS) en National Center for Nanoscience and Technology (NCNST) hebben gemeld dat calciet - een bekend bulkkristal dat vaak in andere technologieën wordt gebruikt - van nature spookpolaritonen kan ondersteunen.

Het team onderzocht lichtinteracties met calciet en vond onverwachte infrarood fonon-polaritonreacties. Ze toonden aan dat calciet, die gemakkelijk kan worden gepolijst, kan spookpolariton oppervlaktegolven ondersteunen met complexe, out-of-plane momentum totaal verschillend van enige waargenomen oppervlakte polariton tot nu toe.

"Polaritonica is de wetenschap en technologie van het exploiteren van sterke interacties van licht met materie, en het heeft de afgelopen jaren een revolutie teweeggebracht in de optische wetenschappen, " zei Andrea Ali, Einstein Professor of Physics aan het Graduate Center en oprichter van het Photonics Initiative bij het Advanced Science Research Center van het CUNY Graduate Center. "Onze ontdekking is het nieuwste voorbeeld van de opwindende wetenschap en verrassende natuurkunde die kan ontstaan ​​door het verkennen van polaritons in conventionele materialen zoals calciet."

"We gebruikten verstrooiing-type scanning near-field optische microscopie (s-SNOM) om deze spookpolaritonen te onderzoeken, " zei eerste auteur Weiliang Ma, een doctoraat kandidaat bij HUST. "Spannend, we hebben straalachtige voortplanting van nanolicht tot 20 micrometer laten zien, een record lange afstand voor polaritongolven bij kamertemperatuur."

"We zijn enthousiast over het vinden van een nieuwe oplossing van Maxwells vergelijkingen met complexe, momentum buiten het vlak. En nog spannender, we hebben het kunnen waarnemen in een heel gewoon kristal", zegt Guangwei Hu, co-eerste auteur, NUS postdoctoraal onderzoeker en langdurig bezoeker bij CUNY.

"Dit type polaritonen kan worden afgestemd via hun optische as, het introduceren van een nieuwe manier van manipulatie van polaritonen, zei Cheng-Wei Qiu, Dean's Chair professor bij NUS. "We geloven dat onze bevindingen de verkenning van verschillende optische kristallen voor lichtmanipulatie op nanoschaal zullen stimuleren."

Professoren Debo Hu en Qing Dai van NCNS en Runkun Chen, doctoraat en professor Xinliang Zhang van HUST hebben ook aanzienlijk bijgedragen aan dit werk.