Un team internazionale ha segnalato in Natura la prima osservazione di polaritoni fantasma, che sono una nuova forma di onde di superficie che trasportano luce su scala nanometrica fortemente accoppiata con le oscillazioni del materiale e con proprietà di propagazione altamente collimate. Il team di ricerca ha osservato questi fenomeni su un materiale comune, la calcite, e ha mostrato come i polaritoni fantasma possono facilitare un controllo superiore della nanoluce infrarossa per il rilevamento, elaborazione del segnale, raccolta di energia e altre tecnologie.

Negli ultimi anni, la nanofotonica a frequenze infrarosse e terahertz è diventata importante per tecnologie ultracompatte e a bassa perdita per la diagnosi biomolecolare e chimica, sensori, comunicazioni e altre applicazioni. Le piattaforme di nanomateriali che possono facilitare interazioni luce-materia migliorate a queste frequenze sono diventate essenziali per queste tecnologie. Il lavoro recente ha utilizzato materiali van der Waals a bassa dimensionalità, come il grafene, nitruro di boro esagonale e triossido di molibdeno in fase alfa (α-MoO3, Natura 2018), a causa della loro risposta altamente esotica alla luce confinata su scala nanometrica. Però, questi nanomateriali emergenti richiedono tecniche di nanofabbricazione impegnative, ostacolando le tecnologie nanofotoniche su larga scala.

Scrivendo in Natura il 18 agosto 2021, un team internazionale altamente collaborativo guidato da scienziati dell'Advanced Science Research Center della City University di New York presso il Graduate Center, Huazhong Università della Scienza e della Tecnologia (HUST), La National University of Singapore (NUS) e il National Center for Nanoscience and Technology (NCNST) hanno riferito che la calcite, un noto cristallo sfuso comunemente usato in altre tecnologie, può supportare naturalmente i polaritoni fantasma.

Il team ha esplorato le interazioni della luce con la calcite e ha trovato risposte inaspettate del polaritone fononico a infrarossi. Hanno dimostrato che la calcite, che può essere facilmente lucidato, può supportare le onde di superficie del polaritone fantasma che presentano complesse, momento fuori dal piano totalmente diverso da qualsiasi polaritone di superficie osservato fino ad oggi.

"La polaritonics è la scienza e la tecnologia di sfruttare le forti interazioni della luce con la materia, e ha rivoluzionato le scienze ottiche negli ultimi anni, " disse Andrea Alù, Einstein Professore di Fisica presso il Graduate Center e direttore fondatore dell'Iniziativa Photonics presso l'Advanced Science Research Center presso il CUNY Graduate Center. "La nostra scoperta è l'ultimo esempio della scienza entusiasmante e della fisica sorprendente che possono emergere dall'esplorazione dei polaritoni in materiali convenzionali come la calcite".

"Abbiamo usato la microscopia ottica a scansione in campo vicino (s-SNOM) di tipo scattering per sondare questi polaritoni fantasma, " ha detto il primo autore Weiliang Ma, un dottorato di ricerca candidato presso HUST. "Eccitante, abbiamo mostrato una propagazione di nano-luce simile a un raggio fino a 20 micrometri, una distanza record per le onde polaritoni a temperatura ambiente."

"Siamo stati entusiasti di trovare una nuova soluzione delle equazioni di Maxwell con complesse, momento fuori dal piano. E ancora più eccitante, siamo stati in grado di osservarlo in un cristallo molto comune." dice Guangwei Hu, co-primo autore, Borsista post-dottorato NUS e visitatore a lungo termine presso CUNY.

"Questo tipo di polaritoni può essere sintonizzato attraverso il loro asse ottico, introducendo un nuovo modo di manipolazione dei polaritoni, disse Cheng-Wei Qiu, Professore di Dean's Chair alla NUS. "Crediamo che i nostri risultati stimoleranno l'esplorazione di vari cristalli ottici per la manipolazione della luce su scala nanometrica".

Professori Debo Hu e Qing Dai di NCNS e Runkun Chen, dottorato di ricerca e anche il professor Xinliang Zhang dell'HUST hanno contribuito in modo significativo a questo lavoro.