Een onderzoeksteam onder leiding van wetenschappers van het Advanced Science Research Center in The Graduate Center, CUNY (CUNY ASRC), in samenwerking met de Nationale Universiteit van Singapore, Universiteit van Texas in Austin en Monash University, heeft 'twistronics'-concepten (de wetenschap van het in lagen aanbrengen en draaien van tweedimensionale materialen om hun elektrische eigenschappen te regelen) gebruikt om de lichtstroom op extreme manieren te manipuleren. De bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , houden de belofte in van haasje-over-vooruitgang in een verscheidenheid aan lichtgestuurde technologieën, inclusief apparaten voor nano-beeldvorming; hoge snelheid, energiezuinige optische computers; en biosensoren.

Het team liet zich inspireren door de recente ontdekking van supergeleiding in een paar gestapelde grafeenlagen die werden gedraaid tot de "magische draaihoek" van 1,1 graden. In deze configuratie, elektronen stromen zonder weerstand. Afzonderlijk, elke grafeenlaag vertoont geen speciale elektrische eigenschappen. De ontdekking heeft aangetoond hoe de zorgvuldige controle van rotatiesymmetrieën onverwachte materiële reacties kan onthullen.

Het onderzoeksteam ontdekte dat een analoog principe kan worden toegepast om licht op hoogst ongebruikelijke manieren te manipuleren. Bij een specifieke rotatiehoek tussen twee ultradunne lagen molybdeentrioxide, de onderzoekers waren in staat om optische diffractie te voorkomen en robuuste lichtvoortplanting mogelijk te maken in een strak gefocuste straal op de gewenste golflengten.

Typisch, licht dat wordt uitgestraald door een kleine zender die over een plat oppervlak is geplaatst, zet zich in cirkels uit, net als de golven die worden opgewekt door een steen die in een vijver valt. In hun experimenten, de onderzoekers stapelden twee dunne vellen molybdeentrioxide - een materiaal dat typisch wordt gebruikt in chemische processen - en roteerden een van de lagen ten opzichte van de andere. Toen de materialen werden geëxciteerd door een kleine optische zender, ze observeerden breed controleerbare lichtemissie over het oppervlak terwijl de rotatiehoek werd gevarieerd. Vooral, ze toonden aan dat bij de fotonische magische draaihoek de geconfigureerde dubbellaag robuuste, diffractievrije lichtvoortplanting in strak gefocusseerde kanaalbundels over een breed scala aan golflengten.

"Terwijl fotonen - de quanta van licht - heel andere fysieke eigenschappen hebben dan elektronen, we zijn geïntrigeerd door de opkomende ontdekking van twistronics, en vroegen ons af of gedraaide tweedimensionale materialen ook ongebruikelijke transporteigenschappen voor licht kunnen bieden, om te profiteren van op fotonen gebaseerde technologieën, " zei Andrea Ali, stichtend directeur van het CUNY ASRC's Photonics Initiative en Einstein Professor of Physics aan The Graduate Center. "Om dit fenomeen te onthullen, we gebruikten dunne laagjes molybdeentrioxide. Door twee van dergelijke lagen op elkaar te stapelen en hun relatieve rotatie te regelen, we hebben een dramatische controle van de lichtgeleidende eigenschappen waargenomen. Bij de fotonische magische hoek, licht buigt niet, en het plant zich zeer beperkt voort langs rechte lijnen. Dit is een ideale functie voor nanowetenschap en fotonische technologieën."

"Onze ontdekking was gebaseerd op een vrij specifiek materiaal en golflengtebereik, maar met geavanceerde nanofabricage kunnen we veel andere materiaalplatforms modelleren om deze ongebruikelijke optische kenmerken te repliceren over een breed scala aan lichtgolflengten, " zei Guangwei Hu, afgestudeerde student van de National University of Singapore (NUS), wie is de eerste auteur van de studie en een langdurig gastonderzoeker bij de groep van Alù. "Onze studie toont aan dat twistronics voor fotonen echt opwindende mogelijkheden kunnen bieden voor op licht gebaseerde technologieën, en we zijn verheugd om deze mogelijkheden te blijven verkennen, " zei prof. C.W. Qiu, Dhr. Hu's co-adviseur bij NUS.