banner
Апр 27, 2020
95 Просмотров

Фотонные мета-поверхности обеспечивают новую площадку для твистроники

Photonic metasurfaces provide a new playground for twistronics

Квантовая оптика, спинтроника и бездифракционная визуализация с малыми потерями являются одними из технологий, которые могут извлечь выгоду из недавно предсказанных эффектов в витых двухслойных фотонных структурах. Работа вдохновлена ​​бурно развивающейся областью исследований в области конденсированных сред – «твистроникой», в которой электронное поведение может быть существенно изменено путем управления поворотом между слоями двумерных материалов.

Когда Пабло Харильо-Эрреро и его группа объявили о наблюдении электронных свойств, настроенных между сверхпроводящим и изоляционным состояниями Мотта было волнение не только среди тех исследователей, которые тесно сотрудничают с графеном и двумерными материалами, но и во многих других областях. Естественно, не все исследовательские сообщества ожидали обнаружить связанные явления в изучаемых ими системах.

«Не было есть основания полагать, что это произойдет в фотонике – эффекты проистекают из коррелированных электронов, и мы вместо этого работаем с фотонами », – объясняет Андреа Алу, профессор Эйнштейна в Городском университете Нью-Йорка (CUNY). Тем не менее в недавней Nano Letters он и его коллеги в CUNY Национальный университет Сингапура, Университет Монаш и Техасский университет в Остине сообщили о теоретических предсказаниях изменений фотонного поведения при скручивании, которые во многом аналогичны изменениям электронного поведения, впервые наблюдавшимся в бислойном графене

.

Плоские ленты

Как и ты крутите одну периодическую сетку относительно другой сверху, появляются новые узоры “муара”, которые могут вызвать у вас головокружение. Аналогичным образом, скручивание одного слоя атомарной решетки графена в виде соты относительно другого приводит к образованию сверхрешетки Муара со свойствами, зависящими от скручивания. Периодические потенциальные поля изменяются с драматическим влиянием на то, как движутся электроны, что влияет на то, как уровни энергии или доступные полосы изменяются с импульсом электрона. При «магическом угле» 1,1 °, что крайне неудобно для достижения в экспериментах, наклон полностью выравнивается, резко контрастируя с резким изменением энергии с импульсом, обнаруженным в однослойном графене. Услышав об этих “плоских полосах”, уши Ало укололись, потому что они заметили фотонные плоские полосы в метасоверхностных системах, которые они изучали.

В метаматериалах состав и структура материала могут придавать ему оптические свойства, которые не встречаются в природе, такие как отрицательные показатели преломления или чрезвычайно асимметричный «гиперболический» оптический отклик. В общем, свет, исходящий от точечного источника, струится наружу в виде колец, словно волны от гальки, сброшенной в пруд. Но в метаматериале, спроектированном так, что оптический отклик в одном направлении отличается от перпендикулярного направления, кольца становятся эллиптическими.

Доведите эту асимметрию до крайности, и волны больше не будут образовывать замкнутых колец вообще, а исчезнут вдоль гиперболы, как ракета на скорости убегания. Эффект может быть дразнящим в метаматериалах, которые, как правило, имеют очень большие потери, поэтому в любом случае очень мало света. Метасоверхности, однако, дают тот же эффект, но на поверхности, где вы действительно можете начать использовать расширенные взаимодействия света с веществом от этих гиперболических оптических откликов.

Нарезка графена на длинные полоски также влияет на его поведение и на 2015, Але и его группа показали, что графеновые наноленты могут вести себя как своего рода метаповерхность. Свет, сияющий на графеновой наноленте, посылает большое количество электронов, колеблющихся в унисон в ответ на падающее электромагнитное поле – «плазмон». Еще интереснее то, что в периодической решетке графеновых нанолент эти плазмоны являются гиперболическими.

“Причина, по которой плоская полоса в витом двухслойном графене резонирует с нами, заключается в том, что вы берете графеновую наноленту с поверхностью «Существует широкий диапазон частот, которые дают гиперболическое распространение, но в какой-то момент он становится эллиптическим – есть светлая полоса для света», – говорит Але.

Фотонная плоская полоса означает, что свет распространяется без дифракции, и взаимодействия светового вещества максимизируются. Уловка в том, что материал также находится в резонансе в этой точке, что означает, что его потеря максимальна. Услышав о плоской полосе в витом двухслойном графене, Алон и его коллеги задались вопросом, может ли наложение двух метасовершин из нанолент графена обеспечить некоторый контроль скручивания этих фотонных плоских полос.

Витая фотоника

Алу и его коллеги изучили функцию Грина двухслойных графеновых нанолентных решеток для оценки оптического поведения. Они обнаружили, что пара двух слоев дает одну плазмонную моду с двумя энергиями для всей двухслойной системы. Кроме того, частота плоской полосы сдвигается так, что возможно максимальное взаимодействие света с веществом, когда материалы не находятся в резонансе. Наконец, переходы для их систем происходят вокруг 45 ° – гораздо больше и более экспериментально доступны, чем магический угол в графеновых двухслойных системах, отражающий большую периодичность нанолентового гриля. Поскольку угол зависит от частоты, можно проходить по частотам, чтобы найти точную точку обзора системы.

Фактически «канализация» – бездифракционное распространение света, которое происходит в точке плоской зоны – имеет уже наблюдалось в пучке, проходящем через две оптические решетки света под определенными углами кручения. Метасоверхности, описанные Alù и его коллегами, представляют собой еще одну фотонную систему для исследования твист-эффектов, которые легче создать, чем двухслойный графен с магическим углом, а также для выделения некоторой новой физики. «Для меня самая захватывающая часть – это красота того, как вы можете предсказать это из чисто геометрических формул», – говорит Алу.

Кроме того, фотонные плоские эффекты могут оказаться полезными для приложений – в частности, квантовой оптики и визуализации. «Люди часто задаются вопросом – как мы можем улучшить взаимодействие ограниченных излучателей света с веществом и как мы можем направить усиленное излучение без дифракции?» говорит Алù. «Это идеальная платформа – она ​​широкополосная, и вы можете настроить частоту».


© 2020 Сеть Science X

Article Categories:
Интересно
banner

Добавить комментарий

104