Onderzoekers hebben een manier gevonden om de eigenschappen van verschillende tweedimensionale materialen te koppelen om een ​​uitzonderlijke mate van controle over lichtgolven te bieden. Ze zeggen dat dit kan leiden tot nieuwe soorten lichtdetectie, thermische beheersystemen, en beeldverwerkingsapparatuur met hoge resolutie.

De nieuwe bevindingen - met behulp van een laag grafeen van één atoom dik afgezet bovenop een vergelijkbare 2D-laag van een materiaal genaamd hexagonaal boornitride (hBN) - worden gepubliceerd in het tijdschrift Nano-letters . Het werk is co-auteur van MIT universitair hoofddocent werktuigbouwkunde Nicholas Fang en afgestudeerde student Anshuman Kumar, en hun co-auteurs bij IBM's T.J. Watson onderzoekscentrum, Hong Kong Polytechnische Universiteit, en de Universiteit van Minnesota.

Hoewel de twee materialen qua structuur vergelijkbaar zijn - beide samengesteld uit zeshoekige arrays van atomen die tweedimensionale platen vormen - werken ze elk heel anders met licht samen. Maar de onderzoekers ontdekten dat deze interacties complementair kunnen zijn, en kunnen koppelen op manieren die een grote mate van controle over het gedrag van licht opleveren.

Het hybride materiaal blokkeert licht wanneer een bepaalde spanning op het grafeen wordt aangelegd, terwijl een speciaal soort emissie en voortplanting mogelijk is, genaamd "hyperboliciteit, " wanneer een andere spanning wordt toegepast - een fenomeen dat nog niet eerder is waargenomen in optische systemen, zegt Fan. Een van de gevolgen van dit ongewone gedrag is dat een extreem dun vel materiaal sterk kan interageren met licht, waardoor balken kunnen worden geleid, doorgesluisd, en bestuurd door spanningen die op het vel worden aangelegd.

"Dit biedt een nieuwe kans om licht te sturen en te ontvangen over een zeer beperkte ruimte, "Fang zegt, en zou kunnen leiden tot "uniek optisch materiaal met een groot potentieel voor optische verbindingen." Veel onderzoekers zien een verbeterde onderlinge verbinding van optische en elektronische componenten als een weg naar efficiëntere reken- en beeldvormingssystemen.

De interactie van licht met grafeen produceert deeltjes die plasmonen worden genoemd, terwijl licht dat in wisselwerking staat met hBN fononen produceert. Fang en zijn collega's ontdekten dat wanneer de materialen op een bepaalde manier worden gecombineerd, de plasmonen en fononen kunnen koppelen, een sterke resonantie produceren.

De eigenschappen van het grafeen zorgen voor nauwkeurige controle over licht, terwijl hBN zorgt voor een zeer sterke opsluiting en geleiding van het licht. Door de twee te combineren, kunnen nieuwe "metamaterialen" worden gemaakt die de voordelen van beide combineren, zeggen de onderzoekers.

Phaedon Avoris, een onderzoeker bij IBM en co-auteur van het artikel, zegt, "De combinatie van deze twee materialen zorgt voor een uniek systeem dat de manipulatie van optische processen mogelijk maakt."

De gecombineerde materialen creëren een afgestemd systeem dat kan worden aangepast om alleen licht van bepaalde specifieke golflengten of richtingen te laten voortplanten, ze zeggen. "We kunnen selectief een aantal frequenties gaan kiezen [om door te laten], en verwerpen sommigen, ' zegt Kumar.

Deze eigenschappen moeten het mogelijk maken, Fang zegt, om kleine optische golfgeleiders te maken, ongeveer 20 nanometer groot - hetzelfde bereik als de kleinste kenmerken die nu in microchips kunnen worden geproduceerd. Dit zou kunnen leiden tot chips die optische en elektronische componenten in één apparaat combineren, met veel lagere verliezen dan wanneer dergelijke apparaten afzonderlijk worden gemaakt en vervolgens met elkaar worden verbonden, ze zeggen.

Co-auteur Tony Low, een onderzoeker bij IBM en de Universiteit van Minnesota, zegt, "Ons werk maakt de weg vrij voor het gebruik van heterostructuren van 2D-materialen voor het ontwerpen van nieuwe optische eigenschappen op aanvraag."

Een andere mogelijke toepassing, Fang zegt, komt van het vermogen om een ​​lichtstraal aan en uit te schakelen op het materiaaloppervlak; omdat het materiaal van nature werkt op nabij-infrarode golflengten, dit kan nieuwe wegen voor infraroodspectroscopie mogelijk maken, hij zegt. "Het kan zelfs een resolutie van één molecuul mogelijk maken, "Fang zegt, van biomoleculen die op het oppervlak van het hybride materiaal zijn geplaatst.

Sheng-Shen, een assistent-professor werktuigbouwkunde aan de Carnegie Mellon University die niet betrokken was bij dit onderzoek, zegt, "Dit werk vertegenwoordigt een aanzienlijke vooruitgang bij het begrijpen van afstembare interacties van licht in grafeen-hBN." Het werk is "vrij kritisch" voor het verschaffen van het begrip dat nodig is om opto-elektronische of fotonische apparaten te ontwikkelen op basis van grafeen en hBN, hij zegt, en "zou directe theoretische begeleiding kunnen bieden bij het ontwerpen van dergelijke soorten apparaten. ... Ik ben persoonlijk erg enthousiast over dit nieuwe theoretische werk."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.