Nieuw platform integreert 2D-polaritonen met detectiesysteem voor geminiaturiseerde spectrometers

Polaritonen zijn gekoppelde excitaties van elektromagnetische golven met geladen deeltjes of trillingen in het atoomrooster van een bepaald materiaal. Ze worden veel gebruikt in de nanofotonica vanwege hun vermogen om licht te beperken tot extreem kleine volumes, in de orde van nanometers, wat essentieel is om de interacties tussen licht en materie te verbeteren.

Tweedimensionale materialen (dat wil zeggen materialen die slechts één atoom dik zijn) worden vaak voor dit doel gebruikt, omdat de polaritonen die ze herbergen een nog extremere opsluiting en lagere energieverliezen vertonen, wat resulteert in een langere levensduur en een hogere afstembaarheid dan bulkmaterialen. Om een ​​nog grotere controle over de lichtopsluiting te bereiken en de polaritonische eigenschappen verder te verbeteren, kunnen structuren op nanoschaal, nanoresonatoren genoemd, worden gebruikt.

Wanneer licht interageert met een nanoresonator, wekt het bovendien polaritonen op, die oscilleren en resoneren op specifieke frequenties die worden bepaald door de geometrie en materiaaleigenschappen van de resonator, waardoor nauwkeurige manipulatie van licht op nanoschaal mogelijk wordt.

Hoewel het gebruik van polaritonen voor het opsluiten van licht een gevestigde praktijk is, is er nog steeds ruimte voor verbetering met betrekking tot de methoden die erop gericht zijn deze te onderzoeken. In de afgelopen jaren zijn optische metingen een gebruikelijke keuze geworden, maar hun omvangrijke detectoren vereisen externe apparatuur.

Dit beperkt de miniaturisatie van het detectiesysteem en de signaalhelderheid (bekend als de signaal-ruisverhouding) die men uit de metingen kan verkrijgen, wat op zijn beurt de toepassing van polaritonische eigenschappen belemmert in gebieden waar deze twee kenmerken essentieel zijn, zoals moleculaire detectie.

Nu hebben onderzoekers aangetoond in a Natuurcommunicatie artikel de integratie van 2D-polaritonen met een detectiesysteem in hetzelfde 2D-materiaal. Het geïntegreerde apparaat maakt voor het eerst spectraal opgeloste elektrische detectie van 2D polaritonische nanoresonatoren mogelijk en markeert een belangrijke stap in de richting van apparaatminiaturisatie.

Het team van ICFO bestaat uit Dr. Sebastián Castilla, Dr. Hitesh Agarwal, Dr. David Alcaraz, Dr. Adrià Grabulosa, Matteo Ceccanti, Dr. Roshan Krishna Kumar, onder leiding van ICREA Prof. Frank Koppens. Samenwerkende instellingen zijn onder meer de Universiteit van Ioannina; Universiteit van Minho; het Internationale Iberische Nanotechnologielaboratorium; Staatsuniversiteit van Kansas; het Nationaal Instituut voor Materiaalwetenschappen (Tsukuba, Japan); POLIMA (Universiteit van Zuid-Denemarken); en URCI (Instituut voor Materiaalwetenschappen en Informatica, Ioannina).

Het team paste elektrische spectroscopie toe op een stapel van drie lagen 2D-materialen. Concreet werd een hBN-laag (hexagonaal boornitraat) bovenop grafeen geplaatst, dat op een ander hBN-vel werd gelaagd.

Tijdens de experimenten identificeerden onderzoekers verschillende voordelen van elektrische spectroscopie vergeleken met commerciële optische technieken. Bij de eerstgenoemde is het gedekte spectrale bereik aanzienlijk breder (dat wil zeggen, het bestrijkt een breder bereik aan frequenties, inclusief het infrarood- en terahertzbereik), de vereiste apparatuur is aanzienlijk kleiner en de metingen laten hogere signaal-ruisverhoudingen zien.

Dit elektro-polaritonische platform vertegenwoordigt een doorbraak in het veld vanwege twee hoofdkenmerken. Ten eerste is een externe detector voor spectroscopie, vereist bij de meeste optische technieken, niet langer nodig. Eén enkel apparaat dient tegelijkertijd als fotodetector en polaritonisch platform, waardoor verdere miniaturisatie van het systeem mogelijk wordt.

Ten tweede: hoewel een hogere lichtopsluiting in het algemeen schadelijk is voor de kwaliteit van deze opsluiting (bijvoorbeeld door de duur van de lichtvangst te verkorten), overwint het geïntegreerde apparaat deze beperking met succes.

“Onze platforms hebben een uitzonderlijke kwaliteit en bereiken recordbrekende optische laterale opsluiting en hoogwaardige factoren tot ongeveer 200. Dit uitzonderlijke niveau van zowel opsluiting als kwaliteit van grafeen verbetert de fotodetectie-efficiëntie aanzienlijk”, legt Dr. Castilla uit, eerste co -auteur van het artikel.

Bovendien maakt de elektrische spectroscopiebenadering het onderzoeken van extreem kleine 2D-polaritonen mogelijk (met laterale afmetingen van ongeveer 30 nanometer). “Dat was een grote uitdaging om met conventionele technieken te detecteren vanwege de opgelegde resolutiebeperkingen”, voegt hij eraan toe.

Castilla denkt na over welke toekomstige ontdekkingen zouden kunnen worden ontsloten door hun nieuwe aanpak. “Toepassingen op het gebied van detectie, hyperspectrale beeldvorming en optische spectrometrie zouden kunnen profiteren van dit elektro-polaritonische geïntegreerde platform.

“In het geval van detectie zou bijvoorbeeld elektrische detectie van moleculen en gassen op de chip mogelijk kunnen worden”, suggereert hij. “Ik geloof dat ons werk de deur zal openen voor veel toepassingen die door het omvangrijke karakter van standaard commerciële platforms worden belemmerd.”