Un team di ricerca guidato da scienziati dell'Advanced Science Research Center presso il Graduate Center, CUNY (CUNY ASRC), in collaborazione con l'Università Nazionale di Singapore, Università del Texas ad Austin e Monash University, ha impiegato concetti di "twistronics" (la scienza della stratificazione e della torsione di materiali bidimensionali per controllarne le proprietà elettriche) per manipolare il flusso di luce in modi estremi. Le scoperte, pubblicato sulla rivista Natura , mantenere la promessa di compiere passi da gigante in una varietà di tecnologie guidate dalla luce, compresi i dispositivi di nano-imaging; alta velocità, computer ottici a bassa energia; e biosensori.

Il team ha preso ispirazione dalla recente scoperta della superconduttività in una coppia di strati di grafene impilati che sono stati ruotati all'"angolo di torsione magico" di 1,1 gradi. In questa configurazione, gli elettroni fluiscono senza resistenza. Separatamente, ogni strato di grafene non mostra proprietà elettriche speciali. La scoperta ha mostrato come l'attento controllo delle simmetrie rotazionali possa svelare risposte materiali inaspettate.

Il team di ricerca ha scoperto che un principio analogo può essere applicato per manipolare la luce in modi molto insoliti. Ad uno specifico angolo di rotazione tra due strati ultrasottili di triossido di molibdeno, i ricercatori sono stati in grado di prevenire la diffrazione ottica e consentire una robusta propagazione della luce in un raggio ben focalizzato alle lunghezze d'onda desiderate.

Tipicamente, la luce irradiata da un piccolo emettitore posto su una superficie piana si espande in cerchi molto simili alle onde eccitate da un sasso che cade in uno stagno. Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno impilato due sottili fogli di triossido di molibdeno, un materiale tipicamente utilizzato nei processi chimici, e hanno ruotato uno degli strati rispetto all'altro. Quando i materiali sono stati eccitati da un minuscolo emettitore ottico, hanno osservato un'emissione di luce ampiamente controllabile sulla superficie al variare dell'angolo di rotazione. In particolare, hanno mostrato che all'angolo di torsione magico fotonico il doppio strato configurato supporta robusti, propagazione della luce senza diffrazione in fasci di canali strettamente focalizzati su un'ampia gamma di lunghezze d'onda.

"Mentre i fotoni, i quanti di luce, hanno proprietà fisiche molto diverse dagli elettroni, siamo stati incuriositi dalla scoperta emergente della twistronica, e ci siamo chiesti se i materiali bidimensionali attorcigliati possano anche fornire proprietà di trasporto insolite per la luce, a vantaggio delle tecnologie basate sui fotoni, " disse Andrea Alù, direttore fondatore della Photonics Initiative della CUNY ASRC e professore di fisica di Einstein presso il Graduate Center. "Per svelare questo fenomeno, abbiamo usato strati sottili di triossido di molibdeno. Impilando due di tali strati uno sopra l'altro e controllando la loro rotazione relativa, abbiamo osservato un controllo drammatico delle proprietà di guida della luce. All'angolo magico fotonico, la luce non diffrange, e si propaga assai ristretto lungo linee rette. Questa è una caratteristica ideale per la nanoscienza e le tecnologie fotoniche".

"La nostra scoperta si è basata su un materiale abbastanza specifico e su un intervallo di lunghezze d'onda, ma con la nanofabbricazione avanzata possiamo modellare molte altre piattaforme di materiali per replicare queste insolite caratteristiche ottiche su un'ampia gamma di lunghezze d'onda della luce, ", ha affermato lo studente laureato Guangwei Hu della National University of Singapore (NUS), che è primo autore dello studio e visiting researcher a lungo termine con il gruppo di Alù. "Il nostro studio mostra che la twistronics per i fotoni può aprire opportunità davvero entusiasmanti per le tecnologie basate sulla luce, e siamo entusiasti di continuare a esplorare queste opportunità, " ha detto il Prof. C.W. Qiu, Co-consulente del signor Hu alla NUS.