I fisici hanno trovato un modo per controllare la lunghezza e la forza delle onde del movimento atomico chiamate polaritoni che hanno usi potenziali promettenti come l'imaging su piccola scala e la trasmissione di informazioni all'interno di spazi ristretti. Eterostrutture fatte di grafene e nitruro di boro esagonale supportano polaritoni ibridi plasmone-fonone che possono essere sintonizzati elettronicamente.

I ricercatori hanno misurato le onde chiamate polaritoni che possono emergere quando la luce interagisce con la materia. Combinando due materiali, hanno prodotto polaritoni ibridi che si propagano attraverso molti strati di un materiale cristallino e possono essere controllati con un semplice cancello elettrico. Il gruppo, guidato da Dimitri Basov e Michael Fogler, professori di fisica all'Università della California, San Diego, segnalare il loro successo in Nanotecnologia della natura .

"Il nostro lavoro dimostra che le nuove proprietà delle onde polaritoniche possono essere ottenute combinando artificialmente materiali diversi, " disse Siyuan Dai, uno studente laureato nel gruppo di Basov responsabile di gran parte del lavoro sperimentale, e l'autore principale del rapporto. "I polaritoni ibridi sono più forti e possono propagarsi più a lungo e quindi hanno un potenziale maggiore nelle applicazioni".

Questo team collaborativo è stato uno dei due a dimostrare per la prima volta i polaritoni in strati di carbonio a singolo atomo chiamati grafene. Nel grafene, la luce infrarossa lancia increspature attraverso gli elettroni sulla superficie di questo materiale simile al metallo chiamato polaritoni plasmonici di superficie che i ricercatori sono stati in grado di controllare utilizzando un semplice circuito elettrico.

La luce infrarossa può anche lanciare polaritoni all'interno di un diverso tipo di cristallo bidimensionale chiamato nitruro di boro esagonale. Onde di moto atomico chiamate polaritoni fononici si propagano attraverso lastre di hBN formate da pile di cristalli simili a fogli. I gruppi di ricerca di Basov e Fogler hanno precedentemente dimostrato che la variazione del numero di strati di hBN potrebbe controllare la forma d'onda dei polaritoni fononici.

Una volta fabbricato però, un dispositivo fatto di hBN limiterebbe i polaritoni fononici a un unico ristretto intervallo di lunghezze d'onda e ampiezze.

Sovrapponendo una pila di hBN con un singolo strato di grafene, il team ha creato un nuovo materiale agile con polaritoni ibridi che si propagano attraverso la lastra cristallina ma possono essere sintonizzati con un cancello elettronico.

I due tipi di polaritoni si accoppiano, una considerazione teorica determinata e l'evidenza sperimentale confermata. Di conseguenza, questo materiale creato dall'uomo manipola la radiazione elettromagnetica - la luce - in modi mai osservati nei materiali naturali. Si adatta alla definizione di metamateriale, una classe di strutture realizzate per la prima volta all'UC San Diego 15 anni fa che sta iniziando ad essere sfruttata per un potenziale uso pratico.

"Le nostre strutture sono realizzate con il nuovo materiale meraviglioso, il grafene e il suo cugino nitruro di boro, che conferiscono loro numerosi vantaggi rispetto ai tradizionali metamateriali a base metallica. I principali vantaggi includono un enorme grado di sintonizzabilità, perdite relativamente basse, e spessore ultraridotto, " ha detto Fogler.

"Ora abbiamo dimostrato una classe completamente nuova di metamateriali elettromagnetici fabbricati da piani atomici separati di materiali di van der Waals, " Ha detto Basov. "I metamateriali elettromagnetici stanno rivoluzionando le tecnologie di imaging e sensori. Dalla dimostrazione iniziale questi sistemi sono già passati ad applicazioni pratiche."