Ultradunne resonators stellen een nieuwe standaard voor efficiënte lichtmanipulatie

In het nanometerbereik (miljardste van een meter) treden interacties op tussen licht en materie die niet op grotere schalen gebeuren. Als zodanig hebben zogenaamde nanofotone materialen unieke optische eigenschappen die een hele reeks technische mogelijkheden openen.

Onderzoekers onder leiding van Andreas Tittl, hoogleraar experimentele fysica aan LMU, hebben nu een methode ontwikkeld die de productie van extreem dunne optische componenten mogelijk maakt die sterk reageren op zelfs relatief zwak licht.

“In de toekomst zouden deze dunne componenten de weg kunnen effenen voor kleine, meer gevoelige sensoren, meer energie-efficiënte computercomponenten en snellere optische communicatie”, zegt Tittl.

Het team heeft gerapporteerd over hun methode in het dagboek Natuurfotonica.

De gebruikte nanofotone materialen zijn gebaseerd op zogenaamde metasurfaces, die regelmatig patronen hebben die over het algemeen kleiner zijn dan de golflengten van licht.

Fotonische resonator is de naam gegeven aan deze kleine structuren in het nanometerbereik, die in staat zijn om de amplitude, fase en polarisatie van invallende elektromagnetische golven te veranderen, inclusief licht. Met geschikte metasurfaces is het daarom mogelijk om nauwkeurig te regelen, op te slaan, te zeggen of te versterken of te blussen – lichtstralen.

In een primeur hebben de onderzoekers onder leiding van Tittl nu het concept van metasurfaces geïntegreerd in meerlagige 2D -materialen waarvan individuele lagen kunnen bestaan ​​uit slechts één of twee atoombladen.

“Het bekendste 2D -materiaal is grafeen, maar er zijn eigenlijk nogal een aantal andere beschikbaar”, zegt Tittl. “U kunt deze materialen in kristalvorm kopen, individuele lagen onder de microscoop verwijderen en ze een soort papier stapelen.”

Op deze manier kunt u precies hun atoomopstelling regelen en materialen verkrijgen met sterke covalente binding in het vlak en zwakke interlayer-interacties. Experts noemen deze van der Waals -materialen en ze zijn een belangrijke focus van modern materiaalonderzoek.

Concepten combineren

Echter: “Voor nu stopte de literatuur bij macroscopische stapels van meerdere 2D -materialen”, legt Tittl uit. Zijn groep maakte gebruik van een extra nanolithografisch proces om verdere structurele parameters toe te voegen aan de Van der Waals Stack, die de lichtmatige interacties versterken als op een metasurface.

“En dus, in plaats van 2D-materialen te plaatsen op afzonderlijke, kant-en-klare nanostructuren of het gebruik van omvangrijke externe optische resonatoren, werkten we de resonantiestructuur rechtstreeks in de VDW-stapel”, zegt Tittl. De onderzoekers noemden de componenten die op deze manier zijn gemaakt “van der Waals heterostructure metasurfaces”-of kort vdw-HMS.

In het bijzonder pakte het team, in samenwerking met onderzoekers van een groep onder leiding van prof. Achim Hartschuh aan de technische Universiteit van München, een individuele halfgeleidende laag wolfraamdisulfide, WS₂tussen verschillende beschermende lagen van zeshoekige boornitride.

Met behulp van een lithografische techniek werkten de onderzoekers vervolgens periodieke structuren in deze materiaalstapel, waarmee licht efficiënt interageert: de elektronen in het materiaal worden geëxciteerd door het invallende licht en gekoppeld aan de lichte deeltjes (fotonen).

Experts noemen deze hybride lichtmatige deeltjes “exciton-polaritonen”. Ze hebben zowel materiaal- als lichtachtige eigenschappen en kunnen condenseren-vergelijkbaar met een Bose-Einstein-condensaat, een extreme toestand van materie waarin de overgrote meerderheid van de deeltjes in dezelfde kwantummechanische toestand bestaat.

Resonators die licht zeer efficiënt vangen

Om de hoogst mogelijke interactie tussen licht en materie te verkrijgen en ongewenste diffractie te beheersen, voerden de onderzoekers theoretische modellering en simulatie uit. Ze waren dus in staat om de VDW-HM’s te optimaliseren en eindigden met nanofotone componenten die zelfs reageerden op lichtintensiteiten van meer dan 1.000 keer lager dan eerder gemeld.

“In wezen hebben we ultradunne resonators ontwikkeld die licht zeer efficiënt vangen, zodat we het kunnen gebruiken”, legt Luca Sortino, een lid van het team van Tittl en hoofdauteur van de studie uit.

“We hebben nu een toolkit, om zo te zeggen, voor het combineren van de twee materiaalwetenschappelijke concepten en het uitbreiden van dit model naar vele andere 2D -materialen”, zegt Sortino. En dus zou het mogelijk zijn om verschillende nanofotone componenten te ontwikkelen met aangepaste opto -elektronische kenmerken. De onderzoekers zijn nu van plan dit potentieel verder te onderzoeken, onthult Sortino.

Ze hopen dat de VDW-HM’s de ontwikkeling van ultrathin, platte optische componenten met nieuwe functionaliteiten zullen vergemakkelijken.

Potentiële toepassingen omvatten bijvoorbeeld snelle optische schakelaars, neuromorf computergebruik, zogenaamde polariton-lasers, die mogelijk rechtstreeks in chips kunnen worden gebouwd, en nieuwe platforms voor het onderzoeken van kwantumfenomenen.