Onderzoekers van het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) en hun medewerkers in binnen- en buitenland hebben met succes een nieuw platform gedemonstreerd voor het geleiden van de gecomprimeerde lichtgolven in zeer dunne Van der Waals-kristallen. Hun methode om het midden-infraroodlicht met minimaal verlies te geleiden, zal een doorbraak betekenen voor de praktische toepassingen van ultradunne diëlektrische kristallen in opto-elektronische apparaten van de volgende generatie op basis van sterke licht-materie-interacties op nanoschaal.

Fonon-polaritonen zijn collectieve oscillaties van ionen in polaire diëlektrica gekoppeld aan elektromagnetische lichtgolven, waarvan het elektromagnetische veld veel meer gecomprimeerd is in vergelijking met de lichtgolflengte. Onlangs is aangetoond dat de fonon-polaritonen in dunne van der Waals-kristallen nog verder kunnen worden gecomprimeerd wanneer het materiaal bovenop een sterk geleidend metaal wordt geplaatst. In een dergelijke configuratie worden ladingen in het polaritonische kristal "gereflecteerd" in het metaal, en hun koppeling met licht resulteert in een nieuw type polaritongolven, de afbeelding fonon-polaritonen. Sterk gecomprimeerde beeldmodi bieden sterke interacties tussen licht en materie, maar zijn erg gevoelig voor de ruwheid van het substraat, wat hun praktische toepassing belemmert.

Uitgedaagd door deze beperkingen, bundelden vier onderzoeksgroepen hun inspanningen om een ​​uniek experimenteel platform te ontwikkelen met behulp van geavanceerde fabricage- en meetmethoden. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Science Advances op 13 juli.

Een KAIST-onderzoeksteam onder leiding van professor Min Seok Jang van de School of Electrical Engineering gebruikte een zeer gevoelige scanning near-field optische microscoop (SNOM) om direct de optische velden te meten van de hyperbolische afbeelding fonon-polaritons (HIP) die zich voortplanten in een 63 nm -dikke plak hexagonaal boornitride (h-BN) op een monokristallijn goudsubstraat, met de midden-infrarode lichtgolven in diëlektrische kristallen die honderd keer zijn gecomprimeerd.

Professor Jang en een onderzoeksprofessor in zijn groep, Sergey Menabde, hebben met succes directe beelden verkregen van HIP-golven die zich voor vele golflengten voortplanten, en ontdekten voor het eerst een signaal van de ultragecomprimeerde HIP van hoge orde in gewone h-BN-kristallen. Ze toonden aan dat de fonon-polaritonen in van der Waals-kristallen aanzienlijk meer kunnen worden gecomprimeerd zonder hun levensduur op te offeren.

Dit werd mogelijk dankzij de atomair gladde oppervlakken van de zelfgekweekte goudkristallen die als substraat voor het h-BN werden gebruikt. Vrijwel geen oppervlakteverstrooiing en extreem klein ohms verlies in goud bij midden-infraroodfrequenties zorgen voor een omgeving met weinig verlies voor de HIP-voortplanting. De HIP-modus die door de onderzoekers werd onderzocht, was 2,4 keer meer gecomprimeerd en vertoonde toch een vergelijkbare levensduur in vergelijking met de fonon-polaritonen met een diëlektrisch substraat met weinig verlies, wat resulteerde in een tweemaal hoger cijfer van verdienste in termen van de genormaliseerde voortplantingslengte.

De ultragladde monokristallijne goudvlokken die in het experiment werden gebruikt, werden chemisch gekweekt door het team van professor N. Asger Mortensen van het Centrum voor Nano-optica van de Universiteit van Zuid-Denemarken.

Het midden-infraroodspectrum is vooral belangrijk voor detectietoepassingen, aangezien veel belangrijke organische moleculen absorptielijnen in het midden-infrarood hebben. De conventionele detectiemethoden vereisen echter een groot aantal moleculen voor een succesvolle werking, terwijl de ultragecomprimeerde fonon-polaritonvelden sterke licht-materie-interacties op microscopisch niveau kunnen bieden, waardoor de detectielimiet aanzienlijk wordt verbeterd tot een enkel molecuul . De lange levensduur van de HIP op monokristallijn goud zal de detectieprestaties verder verbeteren.

Bovendien toonde de studie van professor Jang en het team de opvallende overeenkomst aan tussen de HIP en de afbeelding van grafeenplasmonen. Beide beeldmodi hebben een aanzienlijk beperkter elektromagnetisch veld, maar hun levensduur wordt niet beïnvloed door de kortere polaritongolflengte. Deze observatie biedt een breder perspectief op beeldpolaritonen in het algemeen en benadrukt hun superioriteit in termen van de nanolichtgolfgeleiding in vergelijking met de conventionele laagdimensionale polaritonen in van der Waals-kristallen op een diëlektrisch substraat.

Professor Jang zei:"Ons onderzoek heeft de voordelen van beeldpolaritonen aangetoond, en vooral de beeldfonon-polaritonen. Deze optische modi kunnen worden gebruikt in de toekomstige opto-elektronische apparaten waar zowel de voortplanting met weinig verlies als de sterke interactie tussen licht en materie nodig zijn. Ik hoop dat onze resultaten de weg vrijmaken voor de realisatie van efficiëntere nanofotonische apparaten zoals meta-oppervlakken, optische schakelaars, sensoren en andere toepassingen die werken op infraroodfrequenties." + Verder verkennen

Onderzoek naar akoestische grafeenplasmonen maakt weg vrij voor opto-elektronische toepassingen