Optisch verlies overwinnen in een polaritonsysteem met synthetische complexe frequentiegolven

Een samenwerkend onderzoeksteam onder leiding van professor Shuang Zhang, het interim-hoofd van de afdeling natuurkunde van de Universiteit van Hong Kong (HKU), samen met professor Qing DAI van het National Center for Nanoscience and Technology, China, heeft een oplossing geïntroduceerd voor een veelvoorkomend probleem op het gebied van nanofotonica, namelijk de studie van licht op extreem kleine schaal.

Hun bevindingen, onlangs gepubliceerd in Natuur materialenstellen een synthetische complexe frequentiegolf (CFW) -benadering voor om optisch verlies bij polaritonvoortplanting aan te pakken.

Deze bevindingen bieden praktische oplossingen, zoals efficiëntere, op licht gebaseerde apparaten voor snellere en compactere gegevensopslag en -verwerking in apparaten zoals computerchips en gegevensopslagapparaten, en verbeterde nauwkeurigheid in sensoren, beeldvormingstechnieken en beveiligingssystemen.

Oppervlakteplasmonpolaritonen en fononpolaritonen bieden voordelen zoals efficiënte energieopslag, lokale veldverbetering en hoge gevoeligheden, en profiteren van hun vermogen om licht op kleine schaal te beperken. Hun praktische toepassingen worden echter belemmerd door het probleem van ohms verlies, dat energiedissipatie veroorzaakt bij interactie met natuurlijke materialen.

In de afgelopen dertig jaar heeft deze beperking de vooruitgang op het gebied van nanofotonica voor detectie, superimaging en nanofotonische circuits belemmerd. Het overwinnen van ohms verlies zou de prestaties van het apparaat aanzienlijk verbeteren, waardoor vooruitgang op het gebied van detectietechnologie, beeldvorming met hoge resolutie en geavanceerde nanofotonische circuits mogelijk zou worden.

Professor Shuang Zhang, corresponderend auteur van het artikel, legde de onderzoeksfocus uit: “Om de uitdaging van optisch verlies in belangrijke toepassingen aan te pakken, hebben we een praktische oplossing naar voren gebracht. Door gebruik te maken van een nieuwe synthetische complexe golfexcitatie kunnen we virtuele winst bereiken en tegengaan het intrinsieke verlies van het polaritonsysteem. Om deze aanpak te valideren, hebben we deze toegepast op het fonon-polaritonvoortplantingssysteem en hebben we een significante verbetering in de polaritonvoortplanting waargenomen.’

“We hebben onze aanpak gedemonstreerd door experimenten uit te voeren met fonon-polaritonmateriaal, zoals hBN en MoO₃, in het optische frequentiebereik. Zoals verwacht hebben we een vrijwel verliesloze voortplantingsafstand verkregen die consistent is met onze theoretische voorspellingen”, voegde Dr. Fuxin Guan, de eerste auteur van het artikel en een postdoctoraal onderzoeker aan de afdeling Natuurkunde van de HKU toe.

Multifrequentiebenadering om optisch verlies te overwinnen

In dit onderzoek ontwikkelde het team een ​​nieuwe aanpak met meerdere frequenties om energieverlies bij de voortplanting van polariton aan te pakken. Ze gebruikten een speciaal type golf genaamd “complexe frequentiegolven” om virtuele versterking te bereiken en het verlies in een optisch systeem te compenseren. Terwijl een gewone golf in de loop van de tijd een constante amplitude of intensiteit behoudt, vertoont een complexe frequentiegolf tegelijkertijd zowel oscillatie als versterking. Deze eigenschap maakt een uitgebreidere weergave van het golfgedrag mogelijk en maakt compensatie van energieverlies mogelijk.

Hoewel frequentie doorgaans als een reëel getal wordt gezien, kan deze ook een denkbeeldig deel hebben. Dit denkbeeldige deel vertelt ons hoe de golf in de loop van de tijd sterker of zwakker wordt. Golven met een complexe frequentie met een negatief (positief) denkbeeldig deel vervallen (versterken) in de loop van de tijd. Het direct uitvoeren van onze metingen onder de excitatie van complexe frequentiegolven in de optica is echter een uitdaging omdat hiervoor complexe tijdafhankelijke metingen nodig zijn.

Om dit te ondervangen, gebruikten de onderzoekers het wiskundige hulpmiddel Fourier Transformation om een ​​afgeknotte complexe frequentiegolf (CFW) op te splitsen in meerdere componenten met individuele frequenties.