Een internationaal onderzoeksteam meldt dat licht op nanoschaal zich alleen in specifieke richtingen voortplant langs dunne plakken molybdeentrioxide, een natuurlijk anisotroop 2D-materiaal. Naast het unieke directionele karakter, dit nanolicht plant zich uitzonderlijk lang voort, en heeft dus mogelijke toepassingen in signaalverwerking, detectie en warmtebeheer op nanoschaal.

Toekomstige informatie- en communicatietechnologieën zullen afhankelijk zijn van de manipulatie van niet alleen elektronen, maar ook van licht op nanometerschaal. Het beperken van licht tot zo'n klein gebied is al jaren een belangrijk doel in nanofotonica. Een succesvolle strategie is het gebruik van polaritonen, die elektromagnetische golven zijn die het gevolg zijn van de koppeling van licht en materie. Bijzonder sterke lichtknijping kan worden bereikt met polaritonen op infraroodfrequenties in 2D-materialen, zoals grafeen en hexagonaal boornitride. Onderzoekers hebben buitengewone polaritonische eigenschappen bereikt, zoals elektrische afstemming van grafeenpolaritonen met deze materialen, maar er is altijd gevonden dat de polaritonen zich langs alle richtingen van het materiële oppervlak voortplanten, daardoor snel energie verliezen, wat hun toepassingspotentieel beperkt.

Onlangs, onderzoekers voorspelden dat polaritons zich anisotroop kunnen voortplanten langs de oppervlakken van 2D-materialen waarin de elektronische of structurele eigenschappen in verschillende richtingen verschillen. In dit geval, de snelheid en golflengte van de polaritonen zijn sterk afhankelijk van de richting waarin ze zich voortplanten. Deze eigenschap kan leiden tot sterk gerichte polaritonvoortplanting in de vorm van op nanoschaal opgesloten stralen, die toekomstige toepassingen kunnen vinden op het gebied van detectie, warmtebeheer en kwantumcomputers.

Nutsvoorzieningen, een internationaal team onder leiding van Qiaoliang Bao (Monash Engineering, Melbourne, Australië), Pablo Alonso-González (Universiteit van Oviedo, Spanje) en Rainer Hillenbrand (CIC nanoGUNE, San Sebastian, Spanje) hebben ultra-begrensde infrarood polaritonen ontdekt die zich alleen in specifieke richtingen voortplanten langs dunne platen van het natuurlijke 2-D materiaal molybdeentrioxide (α-MoO ₃ ).

"We hebben α-MoO . gevonden ₃ een uniek platform zijn voor infrarood nanofotonica, ' zegt Qiaoliang Bao.

"Het was geweldig om polaritonen te ontdekken op onze α-MoO ₃ dunne vlokken die alleen langs bepaalde richtingen reizen, " zegt Weiliang Ma, postdoctoraal student en co-eerste auteur.

"Tot nu, de directionele voortplanting van polaritonen is alleen experimenteel waargenomen in kunstmatig gestructureerde materialen, waar de ultieme polaritonbeperking veel moeilijker te bereiken is dan in natuurlijke materialen, ", voegt co-eerste auteur Shaojuan Li toe.

Afgezien van directionele voortplanting, de studie onthulde ook dat de polaritonen op α-MoO ₃ kan een buitengewoon lange levensduur hebben. "Licht lijkt een snelweg op nanoschaal te nemen op α-MoO ₃ ; het reist langs bepaalde richtingen met bijna geen obstakels, " zegt Pablo Alonso-González, co-eerste auteur van het artikel. Hij voegt toe, "Onze metingen laten zien dat polaritonen op α-MoO ₃ leven tot 20 picoseconden, die 40 keer groter is dan de best mogelijke levensduur van polariton in hoogwaardig grafeen bij kamertemperatuur."

Omdat de golflengte van de polaritonen veel kleiner is dan die van licht, moesten de onderzoekers een speciale microscoop gebruiken, een zogenaamde near-field optische microscoop, om ze in beeld te brengen. "De oprichting van deze techniek viel perfect samen met de opkomst van nieuwe Van der Waals-materialen, het mogelijk maken om de afgelopen jaren een verscheidenheid aan unieke en zelfs onverwachte polaritonen in beeld te brengen, ", voegt Rainer Hillenbrand toe.

Voor een beter begrip van de experimentele resultaten, de onderzoekers ontwikkelden een theorie waarmee ze de relatie tussen het momentum van polaritonen in α-MoO . konden extraheren ₃ met hun energie. "We hebben ons gerealiseerd dat licht in α-MoO . wordt geperst ₃ kan 'hyperbolisch' worden, " waardoor de energie- en golffronten zich in verschillende richtingen langs het oppervlak voortplanten, wat kan leiden tot interessante exotische effecten in optica zoals negatieve breking of superlensing, " zegt Alexey Nikitinof Donostia International Physics Center (DIPC), die de theorie ontwikkelde in samenwerking met Javier Taboada-Gutiérrez en Javier Martín-Sánchez en postdoctorale onderzoekers van de groep van Alonso-Gonzalez.

Het huidige werk is slechts het begin van een reeks onderzoeken gericht op directionele controle en manipulatie van licht met behulp van polaritons met ultralaag verlies op nanoschaal, die zouden kunnen profiteren van de ontwikkeling van efficiëntere nanofotonische apparaten voor optische detectie en signaalverwerking of warmtebeheer.