Onderzoekers observeren extreem samengedrukte directionele THz-golven in dunne halfgeleiderkristallen

Een internationaal team van wetenschappers heeft THz-golven in beeld gebracht en geanalyseerd die zich voortplanten in de vorm van plasmonpolaritonen langs dunne anisotrope halfgeleiderplaatjes met golflengten die tot 65 keer kleiner zijn dan THz-golven in de vrije ruimte.

Wat nog intrigerender is, is dat de golflengten variëren met de voortplantingsrichting. Dergelijke THz-golven kunnen worden toegepast voor het onderzoeken van fundamentele materiaaleigenschappen op nanometerschaal en maken de weg vrij voor de ontwikkeling van ultracompacte on-chip THz-apparaten. Het werk is gepubliceerd in Natuur materialen.

Polaritonen zijn hybride toestanden van licht en materie die ontstaan ​​door de koppeling van licht met materie-excitaties. Plasmon- en fononpolaritonen behoren tot de meest prominente voorbeelden, gevormd door de koppeling van licht aan respectievelijk collectieve elektronenoscillaties en kristalroostervibraties.

Ze spelen een cruciale rol in verschillende toepassingen, van subdiffractie optische spectroscopie en ultragevoelige chemische sensoren tot ultracompacte modulatoren voor communicatietoepassingen. In dunne lagen kunnen polaritonen zich voortplanten met golflengten die tot 100 keer korter zijn dan de corresponderende fotongolflengte, waardoor licht op een veel kleinere schaal kan worden gemanipuleerd dan voorheen mogelijk was met conventionele fotonische apparaten.

Hoewel de meeste van deze ultrabegrensde polaritonen zijn waargenomen in de vorm van fonon-polaritonen in het midden-infrarode spectrale bereik, concentreerden de onderzoekers zich op plasmon-polaritonen, omdat deze in veel bredere spectrale bereiken kunnen voorkomen. “Aan de andere kant lijden plasmonpolaritons vaak aan grote demping, wat resulteert in korte voortplantingslengtes. Dit heeft de waarneming van ultrabegrensde plasmonpolaritons in de echte ruimte uitgedaagd”, zegt Shu Chen, eerste auteur van de publicatie.

Met behulp van een THz-nanoscoop (meer bepaald een THz-verstrooiingstype scanning near-field optische microscoop, s-SNOM) in het laboratorium van Rainer Hillenbrand bij CIC nanoGUNE (San Sebastian, Spanje), bestudeerde Chen dunne bloedplaatjes van het laagsymmetrische kristal zilvertelluride (Ag₂Te; hessite) en verkreeg de eerste real-space beelden van THz plasmonpolaritonen, waarvan de golflengten tot 65 keer kleiner zijn in vergelijking met de fotongolflengte en variëren met de voortplantingsrichting.

“Zilvertelluride is een halfgeleider met een smalle bandgap met een relatief hoge mobiele elektronenconcentratie, waardoor dit materiaal plasmonisch is bij THz-frequenties”, zegt Pengliang Leng, eveneens bijdragende eerste auteur, die de bloedplaatjes fabriceerde in het laboratorium van Faxian Xiu aan de Fudan University (Shanghai). , China). “Vanwege de monokliene kristalstructuur met lage symmetrie is de effectieve elektronenmassa sterk anisotroop langs het oppervlak van de bloedplaatjes, wat de anisotrope voortplanting van plasmonpolariton verklaart”, voegt Faxian Xiu toe.

De onderzoekers toonden ook aan dat de relatieve voortplantingslengtes van de THz-polaritonen aanzienlijk kunnen worden vergroot door ze te koppelen aan hun spiegelbeeld in een aangrenzend metalen substraat. “Door deze koppeling worden zogenaamde akoestische plasmonpolaritons gevormd”, legt Andrea Konečná van de Universiteit van Brno (Tsjechië) uit, die theoretisch de akoestische polaritons modelleerde.

“Het belangrijkste is dat de anisotropie van de polaritonvoortplanting kwalitatief behouden blijft, en de lange relatieve voortplantingslengtes stelden ons in staat om ondubbelzinnig te verifiëren dat de polaritonen zich voortplanten met elliptische golffronten”, voegt Rainer Hillenbrand van nanoGUNE toe, die het werk leidde.

Door de lange relatieve voortplantingslengtes van de elliptische akoestische plasmonpolaritonen konden de onderzoekers uiteindelijk de anisotrope effectieve elektronenmassa in het vlak bepalen, waarmee een unieke methode werd ontwikkeld voor de meting op nanoschaal van directionele effectieve dragermassa’s bij kamertemperatuur.

Naast het onderzoeken van fundamentele materiaaleigenschappen in conventionele en nieuwe kwantummaterialen, kunnen ultrabegrensde anisotrope akoestische plasmonpolaritonen in het vlak leiden tot ultracompacte on-chip THz-toepassingen. De sterke veldconcentratie in de opening tussen de polaritonische laag en het metaaloppervlak kan worden benut voor veldversterkte moleculaire detectie of voor het stimuleren van (ultra) sterke THz-licht-materiekoppeling met moleculen, klassieke 2D-elektronengassen of kwantummaterialen.