In un nuovo articolo pubblicato il 1 maggio sulla rivista Science Advances , i ricercatori della Columbia Engineering hanno utilizzato laser da tavolo disponibili in commercio per creare nanostrutture minuscole e atomicamente affilate, o nanopattern, in campioni di un materiale 2D stratificato chiamato nitruro di boro esagonale (hBN).
Mentre esploravano le potenziali applicazioni delle loro strutture nanostrutturate con i colleghi del Dipartimento di Fisica, il team ha scoperto che i loro campioni di hBN tagliati al laser potrebbero creare e catturare efficacemente quasiparticelle chiamate polaritoni fononici, che si verificano quando le vibrazioni atomiche in un materiale si combinano con i fotoni di luce.
"Il nanopatterning è una componente importante dello sviluppo dei materiali", ha spiegato il dottorando in ingegneria. studentessa Cecilia Chen, che ha guidato lo sviluppo della tecnica.
"Se vuoi trasformare un materiale interessante con proprietà interessanti in qualcosa che possa svolgere funzioni specifiche, hai bisogno di un modo per modificarlo e controllarlo."
La nuova tecnica di nanopatterning, sviluppata nel laboratorio del professor Alexander Gaeta, è un modo semplice per modificare i materiali con la luce e non comporta una camera bianca costosa e ad alta intensità di risorse.
Esistono diverse tecniche consolidate per modificare i materiali e creare i nanomodelli desiderati, ma tendono a richiedere una formazione approfondita e spese generali costose. Le macchine per la litografia a fascio di elettroni, ad esempio, devono essere alloggiate in camere bianche attentamente controllate, mentre le opzioni laser esistenti comportano calore elevato e plasma che possono facilmente danneggiare i campioni; la dimensione del laser stesso limita anche la dimensione dei motivi che possono essere creati.
La tecnica del laboratorio di Gaeta si avvale di ciò che è noto nella comunità dell'ottica e della fotonica come "guida ottica". Tutti i materiali vibrano con una risonanza particolare. Chen e i suoi colleghi possono potenziare quelle vibrazioni sintonizzando i loro laser su quella frequenza, corrispondente a una lunghezza d'onda di 7,3 micrometri, nel caso dell'hBN, come dimostrato per la prima volta in una ricerca pubblicata lo scorso novembre su Nature Communications .
Nel lavoro appena pubblicato, hanno spinto l’hBN a vibrazioni ancora più intense, ma invece di danneggiare la struttura atomica sottostante, i laser hanno rotto di netto il reticolo cristallino. Secondo Chen, l'effetto era visibile al microscopio e sembrava come aprire una cerniera.
Le linee risultanti attraverso il campione erano atomicamente nitide e molto più piccole – solo pochi nanometri – rispetto alle lunghezze d’onda del laser nel medio infrarosso utilizzate per crearle. "Di solito, è necessaria una lunghezza d'onda più corta per creare uno schema più piccolo", ha detto Chen. "Qui possiamo creare nanostrutture molto nitide utilizzando lunghezze d'onda molto lunghe. È un fenomeno paradossale."
Per esplorare cosa potrebbero fare con i loro campioni nanostrutturati, il team di ingegneri ha collaborato con il laboratorio del fisico Dmitri Basov, specializzato nella creazione e nel controllo di effetti nano-ottici in diversi materiali 2D, inclusa la creazione di polaritoni fononici in hBN.
Queste quasiparticelle vibranti possono aiutare gli scienziati a “vedere” oltre il limite di diffrazione dei microscopi convenzionali e a rilevare caratteristiche nel materiale che danno origine a fenomeni quantistici. Potrebbero anche rappresentare un componente chiave per miniaturizzare i dispositivi ottici, poiché i dispositivi elettronici sono diventati più piccoli nel corso degli anni.
"La società moderna è basata sulla miniaturizzazione, ma è stato molto più difficile rimpicciolire i dispositivi che si basano sulla luce piuttosto che sugli elettroni", ha spiegato il dottorando in fisica. studente e coautore Samuel Moore. "Sfruttando le forti vibrazioni atomiche hBN, possiamo ridurre le lunghezze d'onda della luce infrarossa di diversi ordini di grandezza."
Sono necessari bordi ultra affilati per eccitare i polaritoni fononici:normalmente vengono lanciati dai lati di scaglie di hBN preparate tramite il metodo noto come "nastro adesivo", in cui un cristallo sfuso viene staccato meccanicamente in strati più sottili utilizzando nastro adesivo domestico. Tuttavia, il team ha scoperto che le linee tagliate al laser offrono condizioni ancora più favorevoli per la creazione delle quasiparticelle.
"È impressionante il modo in cui le regioni hBN tagliate al laser lanciano polaritoni fononici in modo ancora più efficiente rispetto al bordo, suggerendo una regione hBN ultra stretta e aperta che interagisce fortemente con la luce infrarossa", ha affermato Moore.
Poiché la nuova tecnica può creare nanostrutture ovunque su un campione, hanno anche decompresso due linee in parallelo. Ciò crea una piccola cavità che può confinare i polaritoni fononici sul posto, migliorando la loro sensibilità nano-ottica. Il team ha scoperto che le cavità aperte avevano prestazioni paragonabili nel catturare le quasiparticelle alle cavità convenzionali create nelle camere bianche.
"I nostri risultati suggeriscono che le nostre strutture preliminari possono competere con quelle create con metodi più consolidati", ha osservato Chen.
La tecnica può creare molti nanomodelli personalizzabili. Oltre alle cavità a due linee, può creare un numero qualsiasi di linee parallele. Se tali array potessero essere prodotti su richiesta con qualsiasi spaziatura desiderata, ciò potrebbe migliorare notevolmente la capacità di imaging dei polaritoni fononici e sarebbe un risultato enorme, ha affermato Moore.
Una volta avviata, una pausa può essere prolungata quanto desiderato e i campioni spessi fino a 80 nanometri e sottili fino a 24 nanometri sono stati decompressi:in teoria, il limite potrebbe essere molto inferiore.
Ciò offre ai ricercatori molte opzioni per modificare hBN ed esplorare come il suo nanopatterning può influenzare le sue proprietà risultanti, senza dover indossare un costume da coniglio per camera bianca. "Dipende solo dal tuo obiettivo finale", ha detto Chen.
Detto questo, vede ancora molto margine di miglioramento. Poiché hBN è una serie di esagoni ripetuti, la tecnica produce al momento solo linee rette o angolate che si incontrano a 60° o 120°, anche se Chen ritiene che combinarle in triangoli dovrebbe essere possibile.
Attualmente le rotture possono avvenire solo anche in aereo; se riuscissero a determinare come indirizzare le vibrazioni fuori dal piano, potrebbero potenzialmente radere un cristallo sfuso in diverse forme tridimensionali. Sono anche limitati dalla potenza dei loro laser, che hanno passato anni a sintonizzare attentamente per funzionare stabilmente alle lunghezze d’onda desiderate. Sebbene la loro configurazione nel medio IR sia adatta per modificare l'hBN, sarebbero necessari laser diversi per modificare materiali con risonanze diverse.
Indipendentemente da ciò, Chen è entusiasta dell'idea della squadra e di cosa potrebbe essere in grado di fare in futuro. In qualità di membro del sottogruppo dei laser ultraveloci del Gaeta Lab, Chen ha contribuito alla transizione dalla creazione e studio dei laser ad alta potenza all'utilizzo di questi come strumenti per sondare le proprietà ottiche dei materiali 2D.
Quel problema aveva somiglianze con altri problemi che Chen affronta quando lavora fuori dal laboratorio come boulderista, una forma di arrampicata su roccia in cui gli scalatori si arrampicano su pareti rocciose basse e aspre senza l'attrezzatura per afferrarli in caso di caduta.
"Nel bouldering, le potenziali vie di arrampicata sono chiamate problemi e non esiste una risposta giusta per risolverli", ha detto. Le soluzioni migliori non possono essere forzate, ha continuato, "Devi escogitare un piano altrimenti non avrai successo, sia capire come sfruttare le caratteristiche macroscopiche di un masso o quelle microscopiche di un minuscolo cristallo."
Ulteriori informazioni: Cecilia Y. Chen et al, Decomprimere hBN con impulsi ultracorti nel medio infrarosso, Progressi scientifici (2024). DOI:10.1126/sciadv.adi3653
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura , La scienza avanza
Fornito dalla Columbia University School of Engineering and Applied Science
