ottica quantistica, la spintronica e l'imaging senza diffrazione con bassa perdita sono tra le tecnologie che possono beneficiare degli effetti recentemente previsti nelle strutture fotoniche a doppio strato attorcigliato. Il lavoro prende ispirazione da un fiorente campo di ricerca sulla materia condensata:"twistronics, " in cui il comportamento elettronico può essere drasticamente alterato controllando la torsione tra gli strati di materiali 2-D.

Quando Pablo Jarillo-Herrero e il suo gruppo hanno annunciato osservazioni di proprietà elettroniche sintonizzate tra stati superconduttori e isolanti di Mott, c'era eccitazione non solo tra i ricercatori che lavoravano a stretto contatto con il grafene e i materiali 2-D, ma anche in molti altri campi. Naturalmente, non tutte le comunità di ricerca si aspettavano di trovare fenomeni associati nei sistemi che studiavano.

"Non c'era motivo di pensare che ciò sarebbe accaduto nella fotonica:gli effetti derivano da elettroni correlati e invece lavoriamo con i fotoni, " spiega Andrea Alù, Einstein Professor alla City University di New York (CUNY). Tuttavia in un recente Nano lettere carta, lui e i colleghi della CUNY, l'Università Nazionale di Singapore, e l'Università del Texas ad Austin hanno riportato previsioni teoriche di cambiamenti del comportamento fotonico con torsione che sono per molti versi analoghi ai cambiamenti nel comportamento elettronico osservati per la prima volta nel grafene a doppio strato.

Bande piatte

Quando si ruota una griglia periodica rispetto a un'altra in alto, emergono nuovi motivi "moiré" che possono far girare la testa agli occhi. Allo stesso modo, la torsione di uno strato di reticolo atomico di grafene a forma di nido d'ape rispetto a un altro produce un superreticolo Moiré con proprietà dipendenti dalla torsione. I campi potenziali periodici cambiano con effetti drammatici su come si muovono gli elettroni, che influenza il modo in cui i livelli di energia o le bande disponibili cambiano con la quantità di moto dell'elettrone. Con un "angolo magico" di 1,1° - atrocemente imbarazzante da raggiungere negli esperimenti - la pendenza si appiattisce completamente, un netto contrasto con il ripido cambiamento di energia con il momento trovato nel grafene a strato singolo. Fu sentendo parlare di queste "bande piatte" che Alù si drizzò le orecchie perché aveva notato bande fotoniche piatte nei sistemi di metasuperficie che stavano studiando.

Nei metamateriali, la composizione e la struttura del materiale possono conferirgli proprietà ottiche che non si troverebbero in natura, come indici di rifrazione negativi o una risposta ottica "iperbolica" estremamente asimmetrica. Generalmente, la luce emanata da una sorgente puntiforme si increspa verso l'esterno in anelli come le onde di un sassolino caduto in uno stagno. Ma in un metamateriale progettato in modo che la risposta ottica in una direzione sia diversa dalla direzione perpendicolare, gli anelli diventano ellittici.

Porta quell'asimmetria all'estremo, e le onde non formano più anelli chiusi, ma decollare lungo un'iperbole come un razzo a velocità di fuga. L'effetto può essere allettante nei metamateriali, che tendono ad essere molto perdenti, così poca luce arriva comunque molto lontano. metasuperfici, però, dare lo stesso effetto, ma in superficie, dove puoi davvero iniziare a sfruttare le interazioni luce-materia potenziate da queste risposte ottiche iperboliche.

Tagliare il grafene in lunghe strisce influisce anche sul suo comportamento, e nel 2015, Alù e il suo gruppo hanno dimostrato che i nanonastri di grafene potrebbero comportarsi come una sorta di metasuperficie. La luce che brilla su un nanonastro di grafene invia un gran numero di elettroni che oscillano all'unisono in risposta al campo elettromagnetico incidente:"un plasmone". Ancora più interessante in una griglia periodica di nanonastri di grafene questi plasmoni sono iperbolici.

"Il motivo per cui la banda piatta in grafene a doppio strato ritorto ha risuonato con noi è che se prendi una superficie di nanonastro di grafene, c'è un'ampia gamma di frequenze che danno una propagazione iperbolica ma a un certo punto diventa ellittica:c'è una banda piatta per la luce, "dice Alù.

La banda piatta fotonica significa che la luce viaggia senza diffrazione e le interazioni della materia leggera sono massimizzate. Il problema è che il materiale è anche in risonanza a questo punto, il che significa che la sua perdita è al massimo. Sentendo parlare della banda piatta nel grafene a doppio strato attorcigliato Alù e i colleghi si sono chiesti se l'impilamento di due metasuperfici di nanonastri di grafene potrebbe fornire un certo controllo della torsione su queste bande piatte fotoniche.

Fotonica contorta

Alù ei suoi colleghi hanno studiato la funzione di Green delle griglie di nanonastri di grafene a doppio strato per valutare il comportamento ottico. Hanno scoperto che i due strati si accoppiano dando una modalità plasmonica con due energie per l'intero sistema a doppio strato. Inoltre, la frequenza della banda piatta si sposta in modo che siano possibili le massime interazioni con la materia leggera quando i materiali non sono in risonanza. Finalmente, le transizioni per i loro sistemi avvengono intorno a 45° - molto più grandi e più accessibili sperimentalmente rispetto all'angolo magico nei sistemi a doppio strato di grafene, riflettendo la maggiore periodicità della griglia del nanonastro. Poiché l'angolo dipende dalla frequenza, è possibile scorrere le frequenze per trovare l'esatto punto dolce del sistema.

In effetti, la "canalizzazione" - la propagazione della luce senza diffrazione che avviene nel punto della banda piatta - è già stata osservata in un raggio inviato attraverso due reticoli ottici di luce ad angoli di torsione specifici. Le metasuperfici descritte da Alù e colleghi forniscono un ulteriore sistema fotonico per esplorare effetti di torsione che potrebbero essere più facili da produrre rispetto al grafene a doppio strato ad angolo magico, oltre a mettere in luce alcune nuove fisiche. "Per me, la parte più eccitante è la bellezza di come puoi prevederlo da formule puramente geometriche, "dice Alù.

Inoltre, gli effetti flatband fotonici possono rivelarsi utili per le applicazioni, in particolare l'ottica quantistica e l'imaging. "La gente si chiede spesso:come possiamo migliorare l'interazione di emettitori di luce confinati con la materia, e come instradare l'emissione potenziata senza diffrazione?" dice Alù. "Questa è una piattaforma ideale:è a banda larga e puoi sintonizzare la frequenza".

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