I ricercatori individuano le condizioni per la formazione di insoliti polaritoni eccitoni 2D nei TMD. Credito:Fabien Vialla
Le misurazioni della risposta ottica dei dichalcogenuri di metalli di transizione 2-D hanno ora individuato sistemi di materiali reali in cui può formarsi una quasiparticella che comprime la luce. Il polaritone eccitone 2-D, che accoppia la luce alle coppie elettrone-lacuna sotto forma di eccitoni in un modo insolito, può confinare la luce a dimensioni di ordini di grandezza inferiori al limite di diffrazione. Confinare la luce a un livello così elevato può influenzare più del potere di risoluzione dei dispositivi di imaging e della sensibilità del rivelatore. Recenti studi sulle modalità delle cavità hanno suggerito che la luce altamente confinata potrebbe anche alterare le proprietà intrinseche dei materiali.
I polaritoni descrivono una vasta gamma di quasiparticelle che sono metà luce e metà materia. Di conseguenza, è possibile manipolare un aspetto usando l'altro. I polaritoni nei materiali 2-D in particolare hanno suscitato molto interesse a questo riguardo, perché il confinamento leggero che esibiscono può essere particolarmente estremo, e può essere manipolato attraverso l'aspetto materia della quasiparticella. Ciò ha già suscitato interesse per il grafene (monostrati di carbonio cristallino esagonale), in cui l'accoppiamento della luce con gli elettroni risonanti - polaritoni plasmonici - può portare a dispositivi più convenienti a un costo inferiore, lunghezza d'onda più ampia, rivelatori a infrarossi ad alte prestazioni.
Forme 2-D di semiconduttori di dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD) come MoS 2 , MoSe 2 , WS 2 e WSe 2 hanno suscitato interesse anche negli ultimi otto anni, ma questi materiali si comportano in modo molto diverso. Molto più incline ai difetti rispetto al grafene, I TMD non supportano i plasmoni. Però, sono stati osservati eccitoni a causa della natura semiconduttiva dei TMD, anche a temperatura ambiente. Itai Epstein e il leader del gruppo Frank Koppens, entrambi ricercatori dell'Institut de Ciencies Fotoniques (ICFO) in Spagna, ha portato un team internazionale di collaboratori a far luce su un particolare tipo di polaritone eccitone nei TMD 2-D che nessuno ha finora osservato.
Un nuovo tipo di polaritone
I polaritoni degli eccitoni finora osservati si accoppiano alla luce perpendicolarmente al piano del monostrato, ma le teorie suggeriscono che la luce potrebbe accoppiarsi agli eccitoni di un TMD monostrato in un modo che ricorda più da vicino l'accoppiamento con i plasmoni. "Si accoppia all'eccitone in modo tale che entrambi sono quindi legati al monostrato stesso e si propagano lungo di esso come un tipo speciale di onda, " spiega Epstein, mentre descrive ciò che distingue questi eccitoni-polaritoni 2-D dagli eccitoni-polaritoni che sono stati osservati prima.
Però, non era chiaro se i monostrati TMD potessero effettivamente fornire la risposta materiale richiesta per supportare tali polaritoni eccitoni 2-D, come precedenti osservazioni hanno suggerito che potrebbero non esserlo. "Era importante per noi dimostrare sperimentalmente che questa non è un'idea che non è collegata alla realtà, " Epstein aggiunge. "Abbiamo dimostrato che se si possono controllare le proprietà degli eccitoni TMD, le condizioni richieste per gli eccitoni-polaritoni 2-D sono, infatti, ottenibile da un vero TMD."
Di cosa ha bisogno la quasiparticella
Gli eccitoni nei TMD 2-D hanno già dimostrato di essere una fonte di fenomeni affascinanti. Infatti, Koppens ed Epstein avevano recentemente riportato misurazioni di eccitoni in TMD 2-D che assorbono quasi il 100% della luce che cade su di loro. Provenendo da un background in plasmonica, Epstein era interessato a come le condizioni di risonanza per questo assorbimento del 100% assomigliassero alle condizioni necessarie per l'esistenza degli eccitoni-polaritoni 2-D.
Una delle prime cose che le persone fanno quando cercano di osservare effetti interessanti nei materiali 2-D è incapsularli in nitruro di boro esagonale 2-D (hBN). A volte descritto come il vero "materiale meraviglioso" nella ricerca sui materiali 2-D, hBN è molto piatto e pulito, che lo aiuta non solo a preservare, ma per migliorare le caratteristiche dei materiali 2-D. Per esempio, è già stato dimostrato che gli eccitoni in un TMD 2-D incapsulato in hBN assomigliano alle caratteristiche degli eccitoni in un monostrato completamente privo di difetti.
Il secondo trucco è sopprimere le vibrazioni del reticolo che smorzano gli eccitoni, rendendo quasi impossibile osservare gli sfuggenti polaritoni degli eccitoni 2-D. Queste vibrazioni reticolari possono essere soppresse abbassando la temperatura. I processi di smorzamento sono espressi come termine immaginario nel valore complesso della permittività di un materiale (la sua polarizzabilità in risposta al campo elettromagnetico della luce incidente). Però, per l'esistenza degli eccitoni-polaritoni 2-D simili a plasmoni, così come basso smorzamento, la parte reale della permittività deve essere negativa. Misurando le caratteristiche ottiche come il contrasto di riflessione e la permettività complessa dei TMD 2-D incapsulati con hBN a temperature criogeniche, Epstein, Koppens ei suoi collaboratori sono stati in grado di identificare la gamma di frequenza e le condizioni in cui la parte reale della permittività era negativa mentre lo smorzamento era basso. Hanno anche potuto calcolare e confrontare il confinamento della luce dell'eccitone-polaritone 2-D rispetto a un polaritone-plasmone di superficie all'interfaccia di un monostrato di hBN su un substrato d'oro. Il confinamento del polaritone eccitone 2-D era oltre 100 volte maggiore del polaritone plasmone di superficie.
Nella relazione, Epstein, Koppens e i loro collaboratori descrivono le strutture necessarie per osservare gli stessi polaritoni degli eccitoni 2-D, o TMD modellato in nanonastri o TMD 2-D incapsulato in hBN posto su un sottile reticolo metallico. Mentre l'utilizzo di una griglia eviterà le perdite subite dai bordi irregolari durante la modellazione del TMD stesso, entrambi gli approcci richiedono una nanofabbricazione formidabile e precisa. Epstein considera queste strutture "decisamente fattibili, " anche se la loro costruzione sarà impegnativa. "Stiamo ora concentrando gli sforzi sul raggiungimento delle capacità di fabbricare le strutture modellate richieste in modo affidabile e coerente utilizzando strutture di nanofabbricazione all'avanguardia, " Aggiunge.
Koppens mette in evidenza come gli sviluppi possono alimentare il campo emergente della fotonica in modalità cavità, che esamina come i fotoni virtuali che entrano ed escono dall'esistenza influenzano il comportamento di un sistema, anche nel vuoto e in assenza di luce. Gli esperimenti hanno dimostrato che i prodotti delle reazioni chimiche possono essere diversi in una cavità ottica e sono state previste modifiche alle proprietà dei materiali come l'insorgenza della superconduttività. Il confinamento estremo della luce può agire sui sistemi allo stesso modo di una cavità ottica. "L'effetto funziona meglio quando la luce è fortemente compressa:più è compressa, più forte è l'interazione con il materiale, " dice Koppens. La ricerca lungo queste linee può indicare effetti interessanti sulle proprietà del materiale del TMD quando vengono soddisfatte le condizioni per la formazione di questi polaritoni di eccitoni 2-D.
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