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Los cristales de oro atómicamente suaves ayudan a la compresión de la luz para aplicaciones de nanofotones

14 de julio de 2022

(Noticias de Nanwerk) Los investigadores y colaboradores de KAIST en el país y en el extranjero han demostrado con éxito una nueva plataforma para dirigir ondas de luz comprimidas en cristales muy delgados de Van der Waals. Su método para dirigir la luz del infrarrojo medio con una pérdida mínima supondrá un gran avance para las aplicaciones prácticas de los cristales dieléctricos ultrafinos en dispositivos optoelectrónicos de última generación basados ​​en fuertes interacciones foto-materia a nanoescala.

Los polaritones de fonones son oscilaciones colectivas de iones en dieléctricos polares acoplados a las ondas electromagnéticas de la luz, cuyo campo electromagnético está más comprimido en comparación con la longitud de onda de la luz.

Recientemente, se demostró que los polaritones de fonones en cristales delgados de van der Waals pueden comprimirse aún más cuando el material se coloca sobre un metal altamente conductor. En tal configuración, las cargas en el cristal de polaritón se «reflejan» en el metal, y su acoplamiento con la luz da como resultado un nuevo tipo de onda de polaritón llamado fonón-polaritón. Los modos fotográficos altamente comprimidos proporcionan fuertes interacciones luz-materia, pero son muy sensibles a la aspereza del sustrato, lo que dificulta su aplicación práctica.

Ante estas limitaciones, cuatro grupos de investigación han combinado sus esfuerzos para desarrollar una plataforma experimental única utilizando métodos avanzados de fabricación y medición. Sus hallazgos fueron publicados en progreso de la ciencia («Examen de campo cercano de una imagen de fonón de polaritón en nitruro de boro hexagonal en cristales de oro»).

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Imágenes de ultra alta resolución del polariton de fonón en hBN disparado por el borde de cristal dorado La punta nano se utiliza para obtener imágenes de ultra resolución de fonones de polaritón en hBN disparados por un borde de cristal dorado. (Foto: KAIST)

Un equipo de investigación de KAIST dirigido por el profesor Min-Seok Jang de la Escuela de Ingeniería Eléctrica utilizó un microscopio óptico de campo cercano de alta sensibilidad (SNOM) para medir los campos de luz de polaritones hiperbólicos de fonones (HIP) que se propagan a 63 nanómetros. Una lámina gruesa de nitruro de boro hexagonal (h-BN) sobre un sustrato monocristalino de oro, que muestra ondas de luz del infrarrojo medio en un cristal dieléctrico de cien veces.

El profesor Jang y el profesor de investigación de su grupo, Sergei Menabde, lograron obtener imágenes directas de ondas HIP que se propagan en muchas longitudes de onda y detectaron una señal HIP de presión ultra alta y alta presión en cristales h-BN ordinarios por primera vez. Demostraron que el fonón-polariton en los cristales de van der Waals puede ser más compacto sin sacrificar su vida útil.

Esto es posible gracias a las superficies atómicamente lisas de los cristales de oro cultivados localmente que se utilizan como sustrato para h-BN. Prácticamente, la dispersión de superficie cero y las pérdidas óhmicas muy pequeñas en el oro a frecuencias del infrarrojo medio proporcionan un entorno de baja pérdida para la propagación de HIP. El modo HIP examinado por los investigadores era 2,4 veces más compacto, pero mostró una vida útil similar en comparación con el fonón de polaritón con un sustrato dieléctrico de baja pérdida, lo que resultó en un número dos veces mayor en términos de longitud de difusión normal.

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La lámina de oro monocristalino ultrafina utilizada en el experimento fue cultivada químicamente por el profesor N.

El espectro infrarrojo medio es particularmente importante para las aplicaciones de detección porque muchas moléculas orgánicas importantes tienen líneas de absorción en el infrarrojo medio. Sin embargo, los métodos de detección convencionales requieren una gran cantidad de moléculas para una operación exitosa, mientras que los dominios de fonones de polaritón altamente comprimidos pueden proporcionar fuertes interacciones luz-materia a nivel microscópico, mejorando así en gran medida el límite de detección hasta una sola molécula. La larga vida útil de HIP en oro monocristalino mejorará aún más el rendimiento de detección.

Además, el estudio realizado por el profesor Zhang y el equipo demostró la sorprendente similitud entre HIP y el perfil de los plasmones de grafeno. Ambos modos de imagen tienen un campo electromagnético notablemente confinado, pero su tiempo de vida no se ve afectado por la longitud de onda más corta del polaritón. Esta observación proporciona una perspectiva más amplia para los fotopolaritones en general y destaca su superioridad en términos de guía de ondas de luz a nanoescala en comparación con los polaritones convencionales de baja dimensión en cristales de van der Waals en un sustrato dieléctrico.

El profesor Zhang dijo: «Nuestra investigación demostró las ventajas de los foto-polaritones, especialmente los foto-fonones-polaritones. Estos modos ópticos se pueden usar en futuros dispositivos optoelectrónicos donde tanto la difusión de baja pérdida como la fuerte interacción luz-materia son esenciales. Espero que nuestro Los resultados allanarán el camino para la realización de más dispositivos nanofotónicos». Eficientes como superficies, interruptores fotónicos, sensores y otras aplicaciones que operan en frecuencias infrarrojas».

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