Nano-tip viene utilizzato per l'imaging ad altissima risoluzione dei fononi-polaritoni dell'immagine in hBN lanciati dal bordo del cristallo d'oro. Credito:Jang Research Group
I ricercatori del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) ei loro collaboratori in patria e all'estero hanno dimostrato con successo una nuova piattaforma per guidare le onde luminose compresse in cristalli di van der Waals molto sottili. Il loro metodo per guidare la luce nel medio infrarosso con una perdita minima fornirà una svolta per le applicazioni pratiche di cristalli dielettrici ultrasottili nei dispositivi optoelettronici di prossima generazione basati su forti interazioni luce-materia su scala nanometrica.
I fono-polaritoni sono oscillazioni collettive di ioni in dielettrici polari accoppiati a onde elettromagnetiche di luce, il cui campo elettromagnetico è molto più compresso rispetto alla lunghezza d'onda della luce. Recentemente, è stato dimostrato che i fononi-polaritoni nei sottili cristalli di van der Waals possono essere ulteriormente compressi quando il materiale viene posizionato sopra un metallo altamente conduttivo. In una tale configurazione, le cariche nel cristallo polaritonico vengono "riflesse" nel metallo e il loro accoppiamento con la luce si traduce in un nuovo tipo di onde polaritone chiamate fonone-polaritoni dell'immagine. Le modalità immagine altamente compresse forniscono forti interazioni luce-materia, ma sono molto sensibili alla ruvidità del substrato, che ne ostacola l'applicazione pratica.
Sfidati da queste limitazioni, quattro gruppi di ricerca hanno unito i loro sforzi per sviluppare una piattaforma sperimentale unica utilizzando metodi avanzati di fabbricazione e misurazione. I loro risultati sono stati pubblicati su Science Advances il 13 luglio.
Un gruppo di ricerca KAIST guidato dal professor Min Seok Jang della School of Electrical Engineering ha utilizzato un microscopio ottico a scansione in campo vicino (SNOM) ad alta sensibilità per misurare direttamente i campi ottici dell'immagine iperbolica fonone-polaritoni (HIP) che si propagano a 63 nm -spessa lastra di nitruro di boro esagonale (h-BN) su un substrato d'oro monocristallino, che mostra le onde luminose del medio infrarosso nel cristallo dielettrico compresse cento volte.
Il professor Jang e un professore di ricerca nel suo gruppo, Sergey Menabde, hanno ottenuto con successo immagini dirette di onde HIP che si propagano per molte lunghezze d'onda e hanno rilevato per la prima volta un segnale dall'HIP ultracompresso di alto ordine in un normale cristallo h-BN. Hanno dimostrato che i fononi-polaritoni nei cristalli di van der Waals possono essere significativamente più compressi senza sacrificare la loro durata.
Ciò è diventato possibile grazie alle superfici atomicamente lisce dei cristalli d'oro coltivati in casa utilizzati come substrato per l'h-BN. La dispersione superficiale praticamente zero e la perdita ohmica estremamente piccola nell'oro alle frequenze del medio infrarosso forniscono un ambiente a bassa perdita per la propagazione dell'HIP. La modalità HIP sondata dai ricercatori era 2,4 volte più compressa e tuttavia mostrava una durata simile rispetto ai fononi-polaritoni con un substrato dielettrico a bassa perdita, risultando in una cifra di merito due volte superiore in termini di lunghezza di propagazione normalizzata.
Le scaglie d'oro monocristalline ultra lisce utilizzate nell'esperimento sono state coltivate chimicamente dal team del professor N. Asger Mortensen del Center for Nano Optics dell'Università della Danimarca meridionale.
Lo spettro del medio infrarosso è particolarmente importante per le applicazioni di rilevamento poiché molte importanti molecole organiche hanno linee di assorbimento nel medio infrarosso. Tuttavia, i metodi di rilevamento convenzionali richiedono un gran numero di molecole per un funzionamento efficace, mentre i campi fonone-polaritoni ultra compressi possono fornire forti interazioni luce-materia a livello microscopico, migliorando così significativamente il limite di rilevamento fino a una singola molecola . La lunga durata dell'HIP sull'oro monocristallino migliorerà ulteriormente le prestazioni di rilevamento.
Inoltre, lo studio condotto dal professor Jang e dal team ha dimostrato la sorprendente somiglianza tra l'HIP e l'immagine dei plasmoni di grafene. Entrambe le modalità di immagine possiedono un campo elettromagnetico significativamente più confinato, ma la loro durata rimane inalterata dalla lunghezza d'onda del polaritone più breve. Questa osservazione fornisce una prospettiva più ampia sui polaritoni dell'immagine in generale e ne evidenzia la superiorità in termini di guida d'onda della nanoluce rispetto ai polaritoni convenzionali a bassa dimensione nei cristalli di van der Waals su un substrato dielettrico.
Il professor Jang ha affermato:"La nostra ricerca ha dimostrato i vantaggi dei polaritoni dell'immagine, e in particolare dei fononi-polaritoni dell'immagine. Queste modalità ottiche possono essere utilizzate nei futuri dispositivi optoelettronici in cui sono necessarie sia la propagazione a bassa perdita che la forte interazione luce-materia. Spero che i nostri risultati aprano la strada alla realizzazione di dispositivi nanofotonici più efficienti come metasuperfici, interruttori ottici, sensori e altre applicazioni che operano a frequenze infrarosse". + Esplora ulteriormente
