Natuurkundigen hebben een manier gevonden om de lengte en sterkte van golven van atomaire beweging, polaritonen genaamd, te regelen die veelbelovende potentiële toepassingen hebben, zoals fijnschalige beeldvorming en de overdracht van informatie in krappe ruimtes. Heterostructuren gemaakt van grafeen en hexagonaal boornitride ondersteunen hybride plasmon-phonon-polaritonen die elektronisch kunnen worden afgestemd.

De onderzoekers maten golven die polaritonen worden genoemd en die kunnen ontstaan ​​​​wanneer licht interageert met materie. Door twee materialen te combineren, ze produceerden hybride polaritonen die zich door vele lagen van een kristallijn materiaal voortplanten en kunnen worden bestuurd met een eenvoudige elektrische poort. Het team, onder leiding van Dimitri Basov en Michael Fogler, professoren in de natuurkunde aan de Universiteit van Californië, San Diego, melden hun succes in Natuur Nanotechnologie .

"Ons werk toont aan dat nieuwe eigenschappen van polaritonische golven kunnen worden bereikt door kunstmatig verschillende materialen te combineren, " zei Siyuan Dai, een afgestudeerde student in de groep van Basov die verantwoordelijk is voor een groot deel van het experimentele werk, en de hoofdauteur van het rapport. "De hybride polaritonen zijn sterker en kunnen zich langer voortplanten en hebben dus een groter potentieel in toepassingen."

Dit samenwerkende team was een van de twee die voor het eerst polaritonen demonstreerden in koolstoflagen met één atoom, grafeen genaamd. in grafeen, infrarood licht lanceert rimpelingen door de elektronen aan het oppervlak van dit metaalachtige materiaal, oppervlakteplasmonpolaritonen genaamd, die de onderzoekers konden besturen met behulp van een eenvoudig elektrisch circuit.

Infraroodlicht kan ook polaritons lanceren binnen een ander type tweedimensionaal kristal, hexagonaal boornitride genaamd. Golven van atomaire beweging, fonon-polaritonen genaamd, planten zich voort door plakken van hBN gevormd door stapels van de bladachtige kristallen. De onderzoeksgroepen van Basov en Fogler hebben eerder aangetoond dat het variëren van het aantal lagen hBN de golfvorm van de fonon-polaritonen zou kunnen regelen.

Maar eenmaal gefabriceerd, een apparaat gemaakt van hBN zou fononpolaritonen beperken tot een enkel smal bereik van golflengten en amplituden.

Door een stapel hBN te vullen met een enkele laag grafeen, het team heeft een wendbaar nieuw materiaal gecreëerd met hybride polaritons die zich door de kristallijne plaat voortplanten, maar kunnen worden afgestemd met een elektronische poort.

De twee soorten polaritonen worden gekoppeld, een theoretische overweging bepaald en experimenteel bewijs bevestigd. Als resultaat, dit door mensen gemaakte materiaal manipuleert elektromagnetische straling - licht - op manieren die nooit eerder in natuurlijke materialen zijn waargenomen. Het past bij de definitie van een metamateriaal, een klasse van constructies die 15 jaar geleden voor het eerst werd gerealiseerd bij UC San Diego en die begint te worden geëxposeerd voor mogelijk praktisch gebruik.

"Onze structuren zijn gemaakt van het nieuwe wondermateriaal grafeen en zijn neef boornitride, waardoor ze verschillende voordelen hebben in vergelijking met traditionele op metaal gebaseerde metamaterialen. De belangrijkste voordelen zijn een enorme mate van afstembaarheid, relatief lage verliezen, en ultrakleine dikte, ' zei Fogger.

"We hebben nu een geheel nieuwe klasse van elektromagnetische metamaterialen gedemonstreerd die zijn vervaardigd uit afzonderlijke atomaire vlakken van van der Waals-materialen, Basov zei. "Elektromagnetische metamaterialen brengen een revolutie teweeg in beeld- en sensortechnologieën. Sinds de eerste demonstratie hebben deze systemen zich al ontwikkeld tot praktische toepassingen."