p Óptica quântica, spintrônica e imagens livres de difração com baixa perda estão entre as tecnologias que podem se beneficiar dos efeitos recentemente previstos em estruturas fotônicas de bicamada torcida. O trabalho se inspira em um campo florescente de pesquisa de matéria condensada - "twistrônica, "em que o comportamento eletrônico pode ser drasticamente alterado controlando a torção entre as camadas de materiais 2-D. p Quando Pablo Jarillo-Herrero e seu grupo anunciaram observações de propriedades eletrônicas sintonizadas entre os estados supercondutores e isolantes de Mott, houve entusiasmo não apenas entre os pesquisadores que trabalham em estreita colaboração com grafeno e materiais 2-D, mas em muitos outros campos. Naturalmente, nem todas as comunidades de pesquisa esperavam encontrar fenômenos associados nos sistemas que estudaram.

p "Não havia razão para pensar que isso aconteceria na fotônica - os efeitos derivam de elétrons correlacionados e, em vez disso, trabalhamos com fótons, "explica Andrea Alù, Professor Einstein da City University of New York (CUNY). No entanto, em um recente Nano Letras papel, ele e colegas da CUNY, a Universidade Nacional de Cingapura, e a Universidade do Texas em Austin relataram previsões teóricas de mudanças de comportamento fotônico com torção que é em muitos aspectos análoga às mudanças no comportamento eletrônico observadas pela primeira vez no grafeno de camada dupla.

p Flatbands

p Conforme você torce uma grade periódica em relação a outra no topo, surgem novos padrões "Moiré" que podem fazer seus olhos ficarem tontos. De forma similar, torcer uma camada de rede atômica de grafeno em forma de favo de mel em relação a outra produz uma superrede Moiré com propriedades dependentes de torção. Os campos potenciais periódicos mudam com efeitos dramáticos sobre como os elétrons se movem, que afeta como os níveis de energia ou bandas disponíveis mudam com o momento do elétron. Em um "ângulo mágico" de 1,1 ° - dolorosamente difícil de alcançar em experimentos - a inclinação fica totalmente plana, um contraste gritante com a mudança acentuada na energia com o momento encontrado no grafeno de camada única. Foi ao ouvir sobre essas "faixas planas" que os ouvidos de Alù se aguçaram, pois haviam notado faixas planas fotônicas nos sistemas metassuperfície que estavam estudando.

p Em metamateriais, a composição e estrutura do material podem dar-lhe propriedades ópticas que não seriam encontradas na natureza, tais como índices de refração negativos ou uma resposta óptica "hiperbólica" extremamente assimétrica. Em geral, a luz que emana de uma fonte pontual ondula para fora em anéis, como ondas de um seixo jogado em um lago. Mas em um metamaterial projetado de forma que a resposta óptica em uma direção seja diferente da direção perpendicular, os anéis se tornam elípticos.

p Leve essa assimetria ao extremo, e as ondas não formam mais anéis fechados, mas decole ao longo de uma hipérbole como um foguete em velocidade de escape. O efeito pode ser tentador em metamateriais, que tendem a ter muito perdas, tão pouca luz vai muito longe de qualquer maneira. Metasurfaces, Contudo, dar o mesmo efeito, mas na superfície, onde você pode realmente começar a explorar as interações entre luz e matéria aprimoradas a partir dessas respostas ópticas hiperbólicas.

p Cortar o grafeno em tiras longas também afeta como ele se comporta, e em 2015, Alù e seu grupo mostraram que as nanofitas de grafeno podem se comportar como uma espécie de metassuperfície. A luz brilhou em uma nanofita de grafeno envia um grande número de elétrons oscilando em uníssono em resposta ao campo eletromagnético incidente - "um plasmon". Mais interessante ainda em uma grade periódica de nanofitas de grafeno, esses plasmons são hiperbólicos.

p "A razão pela qual a banda plana em grafeno de camada dupla torcida ressoou conosco é se você pegar uma superfície de nanofita de grafeno, há uma ampla gama de frequências que fornecem uma propagação hiperbólica, mas em um ponto ela se torna elíptica - há uma faixa plana para a luz, "diz Alù.

p A faixa plana fotônica significa que a luz viaja sem difração e as interações com a matéria luminosa são maximizadas. O problema é que o material também está em ressonância neste ponto, o que significa que sua perda está no máximo. Ouvindo sobre a banda plana em grafeno de dupla camada torcida Alù e seus colegas se perguntaram se o empilhamento de duas metassuperfícies de nanofita de grafeno poderia fornecer algum controle de torção sobre essas bandas planas fotônicas.

p Fotônica torcida

p Alù e seus colegas estudaram a função de Green das grades de nanofita de grafeno de duas camadas para avaliar o comportamento óptico. Eles descobriram que as duas camadas se acoplam dando um modo de plasmon com duas energias para todo o sistema de bicamada. Além disso, a frequência da banda plana muda de modo que interações máximas de matéria leve são possíveis quando os materiais não estão em ressonância. Finalmente, as transições para seus sistemas ocorrem em torno de 45 ° - muito maiores e mais acessível experimentalmente do que o ângulo mágico em sistemas de bicamada de grafeno, refletindo a maior periodicidade da grade nanofibra. Como o ângulo depende da frequência, é possível varrer as frequências para encontrar o ponto ideal exato do sistema.

p Na verdade, a "canalização" - a propagação da luz livre de difração que ocorre no ponto de banda plana - já foi observada em um feixe enviado através de duas redes ópticas de luz em ângulos de torção específicos. As metassuperfícies descritas por Alù e colegas fornecem um sistema fotônico adicional para explorar os efeitos de torção que podem ser mais fáceis de produzir do que o grafeno de dupla camada do ângulo mágico, bem como destacando algumas novas físicas. "Para mim, a parte mais emocionante é a beleza de como você pode prever isso a partir de fórmulas puramente geométricas, "diz Alù.

p Além disso, os efeitos de banda plana fotônica podem ser úteis para aplicações - ótica quântica e imagem em particular. "As pessoas costumam se perguntar:como podemos melhorar a interação de emissores de luz confinados com a matéria, e como roteamos a emissão aumentada sem difração? ", diz Alù." Esta é uma plataforma ideal - é banda larga e você pode ajustar a frequência. " p © 2020 Science X Network