Os pesquisadores identificam as condições para a formação incomum de exciton-polaritons 2D em TMDs. Crédito:Fabien Vialla
As medições da resposta óptica de dichalcogenetos de metais de transição 2-D identificaram agora sistemas de materiais reais nos quais uma suposta quasipartícula de compressão de luz pode se formar. O exciton-polariton 2-D, que acopla a luz aos pares de elétron-buraco na forma de excitons de uma forma incomum, pode confinar a luz a ordens de dimensões de magnitude abaixo do limite de difração. Confinar a luz em um grau tão alto pode afetar mais do que o poder de resolução dos dispositivos de imagem e a sensibilidade do detector. Estudos recentes dos modos de cavidade sugeriram que a luz altamente confinada também pode alterar as propriedades inerentes dos materiais.
Polaritons descrevem uma ampla gama de quasipartículas que são metade luz e metade matéria. Como resultado, é possível manipular um aspecto usando o outro. Polaritons em materiais 2-D, em particular, têm atraído muito interesse a este respeito, porque o confinamento de luz que eles exibem pode ser particularmente extremo, e pode ser manipulado por meio do aspecto da matéria da quase-partícula. Isso já atraiu interesse no grafeno (monocamadas de carbono cristalino hexagonal), em que o acoplamento de luz com elétrons ressonantes - plasmon-polaritons - pode levar a dispositivos mais convenientes e mais baratos, comprimento de onda mais amplo, detectores infravermelhos de alto desempenho.
Formas 2-D de semicondutores de dichalcogenetos de metais de transição (TMDs), como MoS 2 , MoSe 2 , WS 2 e WSe 2 também atraíram interesse nos últimos oito anos, mas esses materiais se comportam de maneira bem diferente. Muito mais sujeito a defeitos do que o grafeno, TMDs não suportam plasmons. Contudo, excitons foram observados devido à natureza semicondutora dos TMDs, mesmo em temperatura ambiente. Itai Epstein e o líder do grupo Frank Koppens, ambos pesquisadores do Institut de Ciencies Fotoniques (ICFO) na Espanha, liderou uma equipe internacional de colaboradores para lançar luz sobre um tipo particular de exciton polariton em TMDs 2-D que ninguém observou até agora.
Um novo tipo de polariton
Os polaritons de excitons observados até agora acopla-se à luz perpendicular ao plano da monocamada, mas as teorias sugerem que a luz poderia se acoplar aos excitons de uma TMD de monocamada de uma maneira que se assemelha mais ao acoplamento aos plasmons. "Ele se acopla ao exciton de tal maneira que ambos são ligados à própria monocamada e se propagam ao longo dela como um tipo especial de onda, "explica Epstein, enquanto ele descreve o que distingue esses exciton-polaritons 2-D dos exciton-polaritons que foram observados antes.
Contudo, não estava claro se as monocamadas TMD podem realmente fornecer a resposta de material necessária para suportar tais exciton-polaritons 2-D, como observações anteriores sugeriram que não. “Foi importante para nós mostrar experimentalmente que não se trata de uma ideia que não tenha relação com a realidade, "Epstein acrescenta." Nós mostramos que se alguém pode controlar as propriedades dos excitons TMD, as condições necessárias para os exciton-polaritons 2-D são, na verdade, alcançável de obter de um TMD real. "
O que a quasipartícula precisa
Os excitons em TMDs 2-D já provaram ser uma fonte de fenômenos fascinantes. Na verdade, Koppens e Epstein relataram recentemente medições de excitons em DTMs 2-D que absorvem cerca de 100% da luz que incide sobre eles. Vindo de uma experiência em plasmônica, Epstein estava interessado em como as condições ressonantes para essa absorção de 100% se assemelhavam às condições necessárias para a existência de exciton-polaritons 2-D.
Uma das primeiras coisas que as pessoas fazem ao tentar observar efeitos interessantes em materiais 2-D é encapsulá-los em nitreto de boro hexagonal 2-D (hBN). Às vezes descrito como o verdadeiro "material maravilhoso" na pesquisa de materiais 2-D, hBN é muito plano e limpo, o que ajuda não só a preservar, mas para melhorar as características dos materiais 2-D. Por exemplo, já foi demonstrado que os excitons em um TMD 2-D encapsulado em hBN se assemelham às características dos excitons em uma monocamada completamente livre de defeitos.
O segundo truque é suprimir as vibrações da rede que amortecem os excitons, tornando quase impossível observar os elusivos polaritons de excitons 2-D. Essas vibrações da rede podem ser suprimidas diminuindo a temperatura. Os processos de amortecimento são expressos como um termo imaginário no valor complexo da permissividade de um material (sua polarizabilidade em resposta ao campo eletromagnético da luz incidente). Contudo, para que os exciton-polaritons 2-D semelhantes ao plasmon existam, bem como baixo amortecimento, a parte real da permissividade precisa ser negativa. Ao medir as características ópticas, como o contraste de reflexão e a permissividade complexa de TMDs 2-D encapsulados com hBN em temperaturas criogênicas, Epstein, Koppens e seus colaboradores foram capazes de identificar a faixa de frequência e as condições em que a parte real da permissividade era negativa enquanto o amortecimento era baixo. Eles também podem calcular e comparar o confinamento de luz do 2-D exciton-polariton versus um plasmon-polariton de superfície na interface de uma monocamada de hBN em um substrato de ouro. O confinamento do 2-D exciton-polariton foi mais de 100 vezes maior do que o plasmon-polariton de superfície.
No relatório, Epstein, Koppens e seus colaboradores descrevem as estruturas necessárias para observar os próprios polaritons de excitons 2-D, ou TMD padronizado em nanofitas ou TMD 2-D encapsulado em hBN colocado em uma grade metálica fina. Embora o uso de uma grade contorne as perdas incorridas por arestas ao padronizar o próprio TMD, ambas as abordagens requerem uma nanofabricação extremamente precisa. Epstein considera essas estruturas "definitivamente viáveis, "embora sua construção seja desafiadora." Agora estamos concentrando esforços em alcançar os recursos para fabricar as estruturas padronizadas necessárias de maneira confiável e consistente, usando instalações de nano-fabricação de ponta, " ele adiciona.
Koppens destaca como os desenvolvimentos podem alimentar o campo emergente da fotônica em modo de cavidade, que analisa como os fótons virtuais que entram e saem da existência afetam o comportamento de um sistema, mesmo no vácuo e na ausência de luz. Experimentos mostraram que os produtos das reações químicas podem ser diferentes em uma cavidade óptica e mudanças nas propriedades dos materiais, como o início da supercondutividade, foram previstas. O confinamento de luz extrema pode agir nos sistemas da mesma forma que uma cavidade óptica. "O efeito funciona melhor quando a luz é fortemente comprimida - quanto mais comprimida, quanto mais forte for a interação com o material, "diz Koppens. Pesquisas ao longo dessas linhas podem apontar para efeitos interessantes nas propriedades materiais do TMD quando as condições são satisfeitas para a formação desses polaritons de excitons 2-D.
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