Uma equipe internacional relatou em Natureza a primeira observação de polaritons fantasmas, que são uma nova forma de ondas de superfície carregando luz em nanoescala fortemente acoplada com oscilações de material e apresentando propriedades de propagação altamente colimadas. A equipe de pesquisa observou esses fenômenos sobre um material comum - calcita - e mostrou como polaritons fantasmas podem facilitar um controle superior de nanoluz infravermelha para detecção, processamento de sinal, colheita de energia e outras tecnologias.

Nos últimos anos, nanofotônica em frequências infravermelhas e terahertz tornou-se importante para sistemas altamente sensíveis, tecnologias ultracompactas e de baixa perda para diagnóstico bio-molecular e químico, sensores, comunicações e outras aplicações. Plataformas de nanomateriais que podem facilitar interações aprimoradas de luz-matéria nessas frequências tornaram-se essenciais para essas tecnologias. Trabalhos recentes têm usado materiais de van der Waals de baixa dimensão, como o grafeno, nitreto de boro hexagonal e trióxido de molibdênio em fase alfa (α-MoO3, Nature 2018), por causa de sua resposta altamente exótica à luz confinada em nanoescala. Contudo, esses nanomateriais emergentes exigem técnicas de nanofabricação exigentes, dificultando tecnologias nanofotônicas em grande escala.

Escrevendo em Natureza em 18 de agosto de 2021, uma equipe internacional altamente colaborativa liderada por cientistas do Centro de Pesquisa em Ciência Avançada da City University de Nova York no Centro de Pós-Graduação, Universidade Huazhong de Ciência e Tecnologia (HUST), A Universidade Nacional de Cingapura (NUS) e o Centro Nacional de Nanociência e Tecnologia (NCNST) relataram que a calcita - um cristal em massa bem conhecido, comumente usado em outras tecnologias - pode naturalmente suportar polaritons fantasmas.

A equipe explorou as interações da luz com a calcita e encontrou respostas inesperadas do polariton do fônon infravermelho. Eles demonstraram que a calcita, que pode ser facilmente polido, pode suportar ondas de superfície de polariton fantasma que apresentam complexos, momento fora do plano totalmente diferente de qualquer polariton de superfície observado até o momento.

"Polaritônica é a ciência e tecnologia para explorar fortes interações da luz com a matéria, e revolucionou as ciências ópticas nos últimos anos, "disse Andrea Alù, Professor Einstein de Física no Centro de Pós-Graduação e Diretor Fundador da Iniciativa Fotônica do Centro de Pesquisa em Ciência Avançada do Centro de Pós-Graduação CUNY. "Nossa descoberta é o exemplo mais recente da ciência empolgante e da física surpreendente que pode surgir da exploração de polaritons em materiais convencionais como a calcita."

"Usamos microscopia ótica de campo próximo de varredura do tipo espalhamento (s-SNOM) para sondar esses polaritons fantasmas, "disse o primeiro autor Weiliang Ma, um Ph.D. candidato na HUST. "Incrivelmente, mostramos a propagação de nanoluz semelhante a um raio de até 20 micrômetros, um recorde de longa distância para ondas polariton em temperatura ambiente. "

"Estamos entusiasmados em encontrar uma nova solução para as equações de Maxwell com características complexas, momento fora do plano. E ainda mais emocionante, pudemos observá-lo em um cristal muito comum. "diz Guangwei Hu, co-primeiro autor, Pós-doutorado da NUS e visitante de longa data na CUNY.

"Este tipo de polaritons pode ser ajustado por meio de seu eixo óptico, introduzindo uma nova forma de manipulação de polaritons, disse Cheng-Wei Qiu, Professor da cadeira do Reitor na NUS. "Acreditamos que nossas descobertas estimularão a exploração de vários cristais ópticos para manipulação de luz em nanoescala."

Professores Debo Hu e Qing Dai do NCNS e Runkun Chen, Ph.D. e o professor Xinliang Zhang da HUST também contribuíram significativamente para este trabalho.