Illustrazione della nanoluce direzionale che si propaga lungo un sottile strato di triossido di molibdeno. Attestazione:Shaojuan Li
Un team di ricerca internazionale riferisce che la luce confinata nella nanoscala si propaga solo in direzioni specifiche lungo sottili lastre di triossido di molibdeno, un materiale 2-D anisotropo naturale. Oltre al suo carattere direzionale unico, questa nanoluce si propaga per un tempo eccezionalmente lungo, e quindi ha possibili applicazioni nell'elaborazione del segnale, rilevamento e gestione del calore su scala nanometrica.
Le future tecnologie dell'informazione e della comunicazione si baseranno sulla manipolazione non solo degli elettroni ma anche della luce su scala nanometrica. Confinare la luce in un'area così piccola è stato per molti anni uno degli obiettivi principali della nanofotonica. Una strategia di successo è l'uso di polaritoni, che sono onde elettromagnetiche risultanti dall'accoppiamento di luce e materia. Una compressione della luce particolarmente forte può essere ottenuta con polaritoni a frequenze infrarosse in materiali 2-D, come il grafene e il nitruro di boro esagonale. I ricercatori hanno ottenuto straordinarie proprietà polaritoniche come la sintonizzazione elettrica dei polaritoni di grafene con questi materiali, ma si è sempre scoperto che i polaritoni si propagano lungo tutte le direzioni della superficie materiale, perdendo così rapidamente energia, che ne limita il potenziale applicativo.
Recentemente, i ricercatori hanno previsto che i polaritoni possono propagarsi anisotropicamente lungo le superfici dei materiali 2-D in cui le proprietà elettroniche o strutturali sono diverse lungo direzioni diverse. In questo caso, la velocità e la lunghezza d'onda dei polaritoni dipendono fortemente dalla direzione in cui si propagano. Questa proprietà può portare a una propagazione del polaritone altamente direzionale sotto forma di raggi confinati su nanoscala, che potrebbero trovare applicazioni future nei campi del rilevamento, gestione del calore e calcolo quantistico.
Ora, un team internazionale guidato da Qiaoliang Bao (Monash Engineering, Melbourne, Australia), Pablo Alonso-González (Università di Oviedo, Spagna) e Rainer Hillenbrand (CIC nanoGUNE, San Sebastian, Spagna) hanno scoperto polaritoni infrarossi ultra-confinati che si propagano solo in direzioni specifiche lungo lastre sottili del materiale naturale 2-D triossido di molibdeno (α-MoO 3 ).
"Abbiamo trovato α-MoO 3 essere una piattaforma unica per la nanofotonica a infrarossi, "dice Qiaoliang Bao.
"È stato fantastico scoprire i polaritoni sul nostro α-MoO 3 fiocchi sottili che viaggiano solo lungo determinate direzioni, "dice Weiliang Ma, studente post-laurea e co-primo autore.
"Fino ad ora, la propagazione direzionale dei polaritoni è stata osservata sperimentalmente solo in materiali strutturati artificialmente, dove il confinamento del polaritone finale è molto più difficile da ottenere rispetto ai materiali naturali, " aggiunge il co-primo autore Shaojuan Li.
Oltre alla propagazione direzionale, lo studio ha anche rivelato che i polaritoni su α-MoO 3 può avere una durata straordinariamente lunga. "La luce sembra prendere un'autostrada su nanoscala su α-MoO 3 ; viaggia lungo determinate direzioni quasi senza ostacoli, "dice Pablo Alonso-González, co-primo autore dell'articolo. Aggiunge, "Le nostre misurazioni mostrano che i polaritoni su α-MoO 3 vivere fino a 20 picosecondi, che è 40 volte più grande della migliore durata possibile del polaritone in grafene di alta qualità a temperatura ambiente".
Poiché la lunghezza d'onda dei polaritoni è molto più piccola di quella della luce, i ricercatori hanno dovuto usare un microscopio speciale, un cosiddetto microscopio ottico a campo vicino, per immaginarli. "L'istituzione di questa tecnica ha coinciso perfettamente con l'emergere di nuovi materiali van der Waals, consentendo l'imaging di una varietà di polaritoni unici e persino inaspettati negli ultimi anni, " aggiunge Rainer Hillenbrand.
Per una migliore comprensione dei risultati sperimentali, i ricercatori hanno sviluppato una teoria che ha permesso loro di estrarre la relazione tra il momento dei polaritoni in α-MoO 3 con la loro energia. "Ci siamo resi conto che la luce schiacciata in α-MoO 3 può diventare 'iperbolico, " far propagare l'energia e i fronti d'onda in direzioni diverse lungo la superficie, che può portare a interessanti effetti esotici nell'ottica come la rifrazione negativa o il superlensing, " dice Alexey Nikitinof Donostia International Physics Center (DIPC), che ha sviluppato la teoria in collaborazione con Javier Taboada-Gutiérrez e Javier Martín-Sánchez e ricercatori post-dottorato presso il gruppo di Alonso-Gonzalez.
Il lavoro attuale è solo l'inizio di una serie di studi incentrati sul controllo direzionale e sulla manipolazione della luce con l'aiuto di polaritoni a bassissima perdita su scala nanometrica, che potrebbe avvantaggiare lo sviluppo di dispositivi nanofotonici più efficienti per il rilevamento ottico e l'elaborazione del segnale o la gestione del calore.
