Gate-afstembare negatieve breking van polaritonen op nanoschaal aangetoond in van der Waals heterostructuur

Een nieuwe studie onder leiding van het team van Dai Qing van het National Center for Nanoscience and Technology (NCNST) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) en Javier Abajo van het Institute of Photonic Sciences (ICFO) in Spanje heeft een door de poort afstembaar negatief op nanoschaal aangetoond breking van polaritonen in het midden-infraroodbereik door een van der Waals heterostructuur van grafeen en molybdeentrioxide.

De atomair dikke heterostructuren verzwakken verstrooiingsverliezen aan de interface terwijl ze een actief instelbare overgang van normale naar negatieve breking mogelijk maken door middel van elektrische poorten.

Het werk is gepubliceerd in Wetenschap.

De fotonisch-elektronische fusie op nanoschaal is een belangrijke ontwikkelingsrichting voor toekomstige hoogwaardige informatieapparatuur. De integratie van opto-elektronische apparaten wordt bepaald door de opto-elektronische verbindingsmethode, die de snelheid en het stroomverbruik beïnvloedt en de sleutel is tot het verbeteren van de apparaatprestaties.

Fotonen dragen echter geen lading en de transmissie van licht wordt beperkt door de optische diffractielimiet, waardoor het moeilijk is om fotonen op nanoschaal te manipuleren en te controleren in vergelijking met elektronen, die gemakkelijk elektrisch kunnen worden geregeld.

In 1951 voorspelde de Chinese vaste stof natuurkundige academicus Huang Kun het polariton quasi-deeltje gevormd door de interactie tussen fotonen en materie door middel van zijn beroemde ‘Huang-vergelijking’. Na jaren van onderzoek en voortdurende diepgaande ontdekkingen is bewezen dat polaritonen gemakkelijk de optische diffractielimiet kunnen doorbreken en de golflengte van licht kunnen comprimeren tot op nanoschaal, en de veldverdeling van polaritonen is nauw verwant aan de diëlektrische omgeving.

Het team van NCNST stelde het gebruik van polaritonen voor als medium voor opto-elektronische verbindingen om te profiteren van hun hoge compressie en gemakkelijke modulatie van licht. Er werd verwacht dat polaritonen niet alleen effectieve opto-elektronische verbindingen mogelijk zouden maken, maar ook nieuwe informatieverwerkingsmogelijkheden zouden bieden die de prestaties van opto-elektronische fusie-apparaten aanzienlijk zouden verbeteren.

In recent werk ontdekten het team van Dai en hun medewerkers het “axiale dispersie” -effect van gepolariseerde excitonen in kristallen met lage symmetrie, losten het langeafstandstransportprobleem van plasmonics in grafeen op en stelden een nieuw mechanisme voor voor de regulering van polaritonen door heterojuncties.

Op basis hiervan ontwierpen en fabriceerden de onderzoekers een grafeen/molybdeentrioxide van der Waals heterostructuur op nanoschaal.

Ze legden uit dat de heterostructuur van van der Waals de nanofotonische eigenschappen van verschillende materialen volledig benut, waarbij de atomaire laagdikte de basis vormt voor sterk gecomprimeerde optische modi, de eigenschappen van de roosterstructuur isotrope (circulaire) en anisotrope (hyperbolische) transportmodi ondersteunen, de van der Waals-stapeling voldoet aan de near-field matching van modushybridisatie, en de lineaire energiebandstructuur biedt een platform voor modushybridisatie.

Bovendien realiseerden de onderzoekers dynamisch afstembare positief-negatieve brekingsovergangen in de diepe subdiffractielimiet en overwonnen prestatieknelpunten in termen van golfband, verlies, compressie en modulatie van conventionele structurele optische oplossingen zoals het gebruik van metamaterialen en fotonische kristallen.

“Dit dynamisch afstembare conversiefenomeen van positieve en negatieve breking kan worden opgevat als een ‘polaritontransistor’-functie die een soort polariton gebruikt om het schakelen van een andere polariton te regelen, wat de constructie mogelijk maakt van optische logische eenheden zoals die met en zonder poorten en zal naar verwachting op veel gebieden worden toegepast, zoals foto-elektrische fusie, “zei Dai, een van de corresponderende auteurs van het artikel.