Uma equipe de pesquisa colaborativa co-liderada pelo Professor Shuang Zhang, Chefe Interino do Departamento de Física da Universidade de Hong Kong (HKU), juntamente com o Professor Qing DAI do Centro Nacional de Nanociência e Tecnologia da China, introduziu uma solução para uma questão predominante no domínio da nanofotônica, que é o estudo da luz em uma escala extremamente pequena.



Suas descobertas, publicadas recentemente na Nature Materials , propõem uma abordagem de onda de frequência complexa sintética (CFW) para lidar com a perda óptica na propagação de polariton.

Essas descobertas oferecem soluções práticas, como dispositivos baseados em luz mais eficientes para armazenamento e processamento de dados mais rápidos e compactos em dispositivos como chips de computador e dispositivos de armazenamento de dados, e maior precisão em sensores, técnicas de imagem e sistemas de segurança.

Os polaritons de plasmons de superfície e os polaritons de fônons oferecem vantagens como armazenamento eficiente de energia, aprimoramento de campo local e altas sensibilidades, beneficiando-se de sua capacidade de confinar a luz em pequenas escalas. Porém, suas aplicações práticas são dificultadas pela questão da perda ôhmica, que causa dissipação de energia ao interagir com materiais naturais.

Nas últimas três décadas, esta limitação impediu o progresso na nanofotônica para detecção, superimagem e circuitos nanofotônicos. A superação da perda ôhmica melhoraria significativamente o desempenho do dispositivo, permitindo o avanço na tecnologia de detecção, imagens de alta resolução e circuitos nanofotônicos avançados.

O professor Shuang Zhang, autor correspondente do artigo, explicou o foco da pesquisa:"Para enfrentar o desafio da perda óptica em aplicações importantes, apresentamos uma solução prática. Ao empregar uma nova excitação de onda complexa sintética, podemos obter ganho virtual e neutralizar a perda intrínseca do sistema polariton Para validar esta abordagem, nós a aplicamos ao sistema de propagação de fônons polariton e observamos uma melhoria significativa na propagação de polariton.

"Demonstramos nossa abordagem conduzindo experimentos usando material fônon polariton, como hBN e MoO₃ , na faixa de frequência óptica. Como esperado, obtivemos uma distância de propagação quase sem perdas, consistente com nossas previsões teóricas", acrescentou o Dr. Fuxin Guan, primeiro autor do artigo e pós-doutorado no Departamento de Física da HKU.

Abordagem multifrequencial para superar a perda óptica

Nesta pesquisa, a equipe desenvolveu uma nova abordagem de múltiplas frequências para lidar com a perda de energia na propagação do polariton. Eles usaram um tipo especial de onda chamada “ondas de frequência complexa” para obter ganho virtual e compensar a perda em um sistema óptico. Enquanto uma onda regular mantém uma amplitude ou intensidade constante ao longo do tempo, uma onda de frequência complexa exibe oscilação e amplificação simultaneamente. Esta característica permite uma representação mais abrangente do comportamento das ondas e permite a compensação da perda de energia.

Embora a frequência seja comumente percebida como um número real, ela também pode ter uma parte imaginária. Esta parte imaginária diz-nos como a onda fica mais forte ou mais fraca ao longo do tempo. Ondas com uma frequência complexa apresentando uma parte imaginária negativa (positiva) decaem (amplificam) ao longo do tempo. No entanto, realizar nossas medições diretamente sob a excitação de ondas de frequência complexas em óptica é um desafio porque requer medições complexas com limite de tempo.

Para superar isso, os pesquisadores empregaram a ferramenta matemática Transformação de Fourier para quebrar uma onda de frequência complexa truncada (CFW) em vários componentes com frequências individuais.

Assim como quando você está cozinhando e precisa de um ingrediente específico difícil de encontrar, os pesquisadores usaram uma ideia semelhante. Eles dividiram as ondas de frequência complexas em componentes mais simples, como usar ingredientes substitutos em uma receita. Cada componente representou um aspecto diferente da onda. É como criar um prato delicioso usando ingredientes substitutos para obter o sabor desejado.

Medindo esses componentes em diferentes frequências e combinando os dados, eles reconstruíram o comportamento do sistema iluminado pela complexa onda de frequência. Isso os ajudou a compreender e compensar a perda de energia. Esta abordagem simplifica muito a implementação prática de CFWs em diferentes aplicações, incluindo propagação de polaritons e superimagem.

Ao realizar medições ópticas em diferentes frequências reais com intervalo fixo, torna-se viável construir a resposta óptica do sistema em uma frequência complexa. Isto é conseguido combinando matematicamente as respostas ópticas obtidas em diferentes frequências reais.

O professor Qing Dai, do Centro Nacional de Nanociência e Tecnologia e outro autor correspondente do artigo, afirmou que este trabalho forneceu uma solução prática para resolver o problema de longa data da perda óptica em nanofotônica.

Ele destacou a importância do método de frequência complexa sintetizada, afirmando que ele pode ser facilmente aplicado a várias outras aplicações, como detecção molecular e circuitos integrados nanofotônicos. Ele enfatizou ainda que “este método é notável e universalmente aplicável, pois também pode ser utilizado para lidar com perdas em outros sistemas de ondas, incluindo ondas sonoras, ondas elásticas e ondas quânticas, melhorando assim a qualidade da imagem a níveis sem precedentes”.

Demonstração experimental

Como prova de conceito, a equipe começou com a propagação de polaritons de fônons (PhPs) em frequências ópticas de cerca de 1.450 cm ^-1 usando filmes hBN. Uma longa antena dourada colocada no filme hBN é usada para lançar os PhPs 1D. As distribuições de campo das duas frequências reais e das duas frequências complexas são mostradas na Fig. 2a e 2b, respectivamente.

Os resultados experimentais demonstram que enquanto a propagação nas frequências reais sofre forte atenuação, o polariton nas frequências complexas quase não sofre decaimento ao longo da propagação.

A equipe aplicou ainda a abordagem de frequência complexa para investigar as distribuições de campo mais complicadas suportadas por uma película fina de cristal de van der Waals α-MoO₃ , que é altamente anisotrópico e suporta polaritons hiperbólicos naturais no plano.

Uma antena de metal como fonte de excitação é colocada no α-MoO₃ filme como mostrado na Fig. A variação da distribuição de campo exibe um comportamento característico de propagação hiperbólica com uma frente de onda côncava (ver Fig. 3b).

Com o aumento da frequência, o comprimento de onda diminui com um confinamento de campo mais forte e, entretanto, a propagação torna-se mais atenuada. Todos esses gráficos de frequência real são combinados de acordo com a razão da frequência complexa para obter o resultado da frequência complexa na Fig.

A equipe finalmente investigou o comportamento de interferência dos PHPs usando a abordagem de frequência complexa. Duas antenas circulares com diâmetros diferentes são fabricadas no MoO₃ filme para excitar os polaritons do fônon, como mostrado na Fig.

Embora os gráficos de frequência real não possam mostrar franjas de interferência claras, como mostrado na Fig. 3e, os gráficos complexos de frequência de franjas de interferência claras podem ser sintetizados após combinar os resultados de diferentes frequências reais e como mostrado na Fig.

Mais informações: Fuxin Guan et al, Compensando perdas na propagação de polariton com excitação de frequência complexa sintetizada, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01787-8
Informações do diário: Materiais Naturais

Fornecido pela Universidade de Hong Kong