Quantum optica, spintronica en diffractievrije beeldvorming met weinig verlies behoren tot de technologieën die kunnen profiteren van recent voorspelde effecten in gedraaide dubbellaagse fotonische structuren. Het werk is geïnspireerd op een ontluikend veld van onderzoek naar gecondenseerde materie - "twistronics, " waarin elektronisch gedrag drastisch kan worden veranderd door de twist tussen lagen van 2D-materialen te beheersen.

Toen Pablo Jarillo-Herrero en zijn groep waarnemingen aankondigden van elektronische eigenschappen die waren afgestemd op supergeleidende en Mott-isolerende toestanden, was er opwinding, niet alleen bij die onderzoekers die nauw met grafeen en 2D-materialen werkten, maar ook bij vele andere gebieden. Van nature, niet alle onderzoeksgemeenschappen verwachtten geassocieerde verschijnselen te vinden in de systemen die ze bestudeerden.

"Er was geen reden om aan te nemen dat dit in de fotonica zou gebeuren - de effecten komen voort uit gecorreleerde elektronen en in plaats daarvan werken we met fotonen, " legt Andrea Alù uit, Einstein-hoogleraar aan de City University of New York (CUNY). Toch in een recente Nano-letters papier, hij en collega's bij CUNY, de Nationale Universiteit van Singapore, en de Universiteit van Texas in Austin hebben theoretische voorspellingen gerapporteerd van fotonische gedragsveranderingen met draaien die in veel opzichten analoog zijn aan de veranderingen in elektronisch gedrag die voor het eerst werden waargenomen in dubbellaags grafeen.

Platte banden

Terwijl je het ene periodieke raster verdraait ten opzichte van het andere bovenop, er ontstaan ​​nieuwe "Moiré"-patronen die je ogen duizelig kunnen maken. evenzo, het draaien van een laag honingraatvormig grafeen-atoomrooster ten opzichte van een ander produceert een Moiré-superrooster met twistafhankelijke eigenschappen. De periodieke potentiële velden veranderen met dramatische effecten op hoe elektronen bewegen, die van invloed is op hoe de beschikbare energieniveaus of banden veranderen met het momentum van het elektron. Bij een "magische hoek" van 1,1 ° - ondraaglijk lastig om te bereiken in experimenten - wordt de helling volledig vlakker, een schril contrast met de steile verandering in energie met momentum gevonden in enkellaags grafeen. Toen ze over deze "platte banden" hoorden, spitsten Alù's oren zich omdat ze fotonische platte banden hadden opgemerkt in de metasurface-systemen die ze bestudeerden.

In metamaterialen, de samenstelling en structuur van het materiaal kan het optische eigenschappen geven die in de natuur niet voorkomen, zoals negatieve brekingsindices of een extreem asymmetrische "hyperbolische" optische respons. In het algemeen, licht afkomstig van een puntbron rimpelt naar buiten in ringen als golven van een kiezelsteen die in een vijver valt. Maar in een metamateriaal dat zo is ontworpen dat de optische respons in één richting anders is dan de loodrechte richting, worden de ringen elliptisch.

Breng die asymmetrie tot het uiterste, en de golven vormen helemaal geen gesloten ringen meer, maar opstijgen langs een hyperbool als een raket met ontsnappingssnelheid. Het effect kan verleidelijk zijn in metamaterialen, die vaak zeer verliesgevend zijn, zo weinig licht komt toch heel ver. meta-oppervlakken, echter, hetzelfde effect geven, maar aan de oppervlakte, waar je echt kunt beginnen met het benutten van de verbeterde licht-materie-interacties van deze hyperbolische optische reacties.

Het snijden van grafeen in lange stroken heeft ook invloed op hoe het zich gedraagt, en anno 2015, Alù en zijn groep toonden aan dat grafeen nanoribbons zich kunnen gedragen als een soort meta-oppervlak. Licht dat op een grafeen-nanolint schijnt, stuurt grote aantallen elektronen tegelijk in oscillatie als reactie op het invallende elektromagnetische veld - 'een plasmon'. Nog interessanter in een periodiek rooster van grafeen-nanoribbons zijn deze plasmonen hyperbolisch.

"De reden waarom de platte band in gedraaid dubbellaags grafeen met ons resoneerde, is als je een grafeen-nanoribbon-oppervlak neemt, er is een breed scala aan frequenties die een hyperbolische voortplanting geven, maar op een punt wordt het elliptisch - er is een platte band voor licht, " zegt Ali.

De fotonische flatband betekent dat het licht zich zonder diffractie voortplant en dat interacties tussen licht en materie worden gemaximaliseerd. De vangst is dat het materiaal op dit punt ook in resonantie is, wat betekent dat het verlies maximaal is. Horen over de flatband in gedraaid dubbellaags grafeen Alù en collega's vroegen zich af of het stapelen van twee grafeen nanoribbon-meta-oppervlakken enige controle over deze fotonische flatbands zou kunnen bieden.

Gedraaide fotonica

Alù en zijn collega's bestudeerden de Green's functie van de dubbellaagse grafeen nanoribbon-grills om het optische gedrag te evalueren. Ze ontdekten dat de twee lagen koppelen en één plasmonmodus geven met twee energieën voor het hele dubbellaagse systeem. In aanvulling, de frequentie van de vlakke band verschuift zodat maximale interacties tussen licht en materie mogelijk zijn wanneer de materialen niet in resonantie zijn. Eindelijk, de overgangen voor hun systemen vinden plaats rond 45° - veel groter en meer experimenteel toegankelijk dan de magische hoek in grafeen dubbellaagse systemen, als gevolg van de grotere periodiciteit van de nanoribbon-grill. Omdat de hoek frequentieafhankelijk is, is het mogelijk om door frequenties te vegen om het exacte zoete punt van het systeem te vinden.

In feite is "kanalisatie" - de diffractievrije voortplanting van licht die plaatsvindt op het vlakke bandpunt - al waargenomen in een bundel die door twee optische lichtroosters wordt gestuurd met specifieke draaihoeken. De meta-oppervlakken beschreven door Alù en collega's bieden een verder fotonica-systeem voor het verkennen van twist-effecten die misschien gemakkelijker te produceren zijn dan een dubbellaags grafeen met een magische hoek, evenals het benadrukken van een aantal nieuwe fysica. "Naar mij, het meest opwindende is de schoonheid van hoe je dit kunt voorspellen met puur geometrische formules, " zegt Ali.

In aanvulling, de fotonische flatband-effecten kunnen nuttig zijn voor toepassingen, met name kwantumoptica en beeldvorming. "Mensen vragen vaak:hoe verbeteren we de interactie van beperkte lichtstralers met materie, en hoe sturen we de verbeterde emissie zonder diffractie?' zegt Alù. 'Dit is een ideaal platform:het is breedband en je kunt de frequentie afstemmen.'

© 2020 Wetenschap X Netwerk