Pesquisadores do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coréia (KAIST) e seus colaboradores em casa e no exterior demonstraram com sucesso uma nova plataforma para guiar as ondas de luz comprimidas em cristais de van der Waals muito finos. Seu método para guiar a luz infravermelha média com perda mínima fornecerá um avanço para as aplicações práticas de cristais dielétricos ultrafinos em dispositivos optoeletrônicos de próxima geração baseados em fortes interações luz-matéria em nanoescala.
Phonon-polaritons são oscilações coletivas de íons em dielétricos polares acopladas a ondas eletromagnéticas de luz, cujo campo eletromagnético é muito mais comprimido em relação ao comprimento de onda da luz. Recentemente, foi demonstrado que os polaritons de fônon em cristais finos de van der Waals podem ser comprimidos ainda mais quando o material é colocado em cima de um metal altamente condutor. Em tal configuração, as cargas no cristal polaritônico são "refletidas" no metal, e seu acoplamento com a luz resulta em um novo tipo de ondas polaritônicas chamadas de fônon-polaritons de imagem. Os modos de imagem altamente compactados proporcionam fortes interações luz-matéria, mas são muito sensíveis à rugosidade do substrato, o que dificulta sua aplicação prática.

Desafiados por essas limitações, quatro grupos de pesquisa combinaram seus esforços para desenvolver uma plataforma experimental única usando métodos avançados de fabricação e medição. Suas descobertas foram publicadas na revista Science Advances em 13 de julho.

Uma equipe de pesquisa do KAIST liderada pelo professor Min Seok Jang, da Escola de Engenharia Elétrica, usou um microscópio óptico de campo próximo de varredura altamente sensível (SNOM) para medir diretamente os campos ópticos dos polaritons de fônon de imagem hiperbólica (HIP) que se propagam em 63 nm -laje grossa de nitreto de boro hexagonal (h-BN) em um substrato de ouro monocristalino, mostrando as ondas de luz infravermelha média em cristal dielétrico comprimido por cem vezes.

O professor Jang e um professor de pesquisa em seu grupo, Sergey Menabde, obtiveram com sucesso imagens diretas de ondas HIP se propagando para muitos comprimentos de onda e detectaram um sinal do HIP de alta ordem ultra-comprimido em cristais h-BN regulares pela primeira vez. Eles mostraram que os phonon-polaritons em cristais de van der Waals podem ser significativamente mais comprimidos sem sacrificar sua vida útil.

Isso se tornou possível devido às superfícies atomicamente lisas dos cristais de ouro caseiros usados ​​como substrato para o h-BN. Praticamente zero espalhamento de superfície e perda ôhmica extremamente pequena em ouro em frequências de infravermelho médio fornecem um ambiente de baixa perda para a propagação HIP. O modo HIP testado pelos pesquisadores foi 2,4 vezes mais comprimido e ainda exibiu um tempo de vida semelhante em comparação com os polaritons de fônon com um substrato dielétrico de baixa perda, resultando em uma figura de mérito duas vezes maior em termos de comprimento de propagação normalizado.

Os flocos de ouro monocristalino ultrassuaves usados ​​no experimento foram cultivados quimicamente pela equipe do professor N. Asger Mortensen do Centro de Nano Óptica da Universidade do Sul da Dinamarca.

O espectro do infravermelho médio é particularmente importante para aplicações de detecção, pois muitas moléculas orgânicas importantes têm linhas de absorção no infravermelho médio. No entanto, um grande número de moléculas é exigido pelos métodos de detecção convencionais para uma operação bem-sucedida, enquanto os campos de fônon-polariton ultra-comprimidos podem fornecer fortes interações luz-matéria no nível microscópico, melhorando significativamente o limite de detecção para uma única molécula . A longa vida útil do HIP em ouro monocristalino melhorará ainda mais o desempenho da detecção.

Além disso, o estudo conduzido pelo professor Jang e sua equipe demonstrou a impressionante semelhança entre o HIP e os plasmons de grafeno de imagem. Ambos os modos de imagem possuem um campo eletromagnético significativamente mais confinado, mas sua vida útil permanece inalterada pelo comprimento de onda do polariton mais curto. Esta observação fornece uma perspectiva mais ampla sobre polaritons de imagem em geral, e destaca sua superioridade em termos de guia de onda de nanoluz em comparação com os polaritons convencionais de baixa dimensão em cristais de van der Waals em um substrato dielétrico.

O professor Jang disse:"Nossa pesquisa demonstrou as vantagens dos polaritons de imagem, e especialmente os polaritons de fônon de imagem. Esses modos ópticos podem ser usados ​​em futuros dispositivos optoeletrônicos onde tanto a propagação de baixa perda quanto a forte interação luz-matéria são necessárias. Espero que nossos resultados abram o caminho para a realização de dispositivos nanofotônicos mais eficientes, como metasuperfícies, interruptores ópticos, sensores e outras aplicações operando em frequências infravermelhas." + Explorar mais

Estudo acústico de plasmons de grafeno abre caminho para aplicações optoeletrônicas