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

Los fonones-polaritones son oscilaciones colectivas de iones en dieléctricos polares acoplados a ondas electromagnéticas de luz, cuyo campo electromagnético está mucho más comprimido en comparación con la longitud de onda de la luz. Recientemente, se demostró que los polaritones de fonones en los cristales delgados de van der Waals pueden comprimirse aún más cuando el material se coloca encima de un metal altamente conductor. En tal configuración, las cargas en el cristal polaritónico se "reflejan" en el metal, y su acoplamiento con la luz da como resultado un nuevo tipo de ondas de polaritón llamadas polaritones de fonones de imagen. Los modos de imagen altamente comprimidos proporcionan fuertes interacciones luz-materia, pero son muy sensibles a la aspereza del sustrato, lo que dificulta su aplicación práctica.

Desafiados por estas limitaciones, cuatro grupos de investigación combinaron sus esfuerzos para desarrollar una plataforma experimental única utilizando métodos avanzados de fabricación y medición. Sus hallazgos fueron publicados en Science Advances el 13 de julio.

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 (SNOM) de escaneo altamente sensible para medir directamente los campos ópticos de los fonones-polaritones de imagen hiperbólica (HIP) que se propagan en un 63 nm. -losa gruesa de nitruro de boro hexagonal (h-BN) sobre un sustrato de oro monocristalino, que muestra las ondas de luz del infrarrojo medio en un cristal dieléctrico comprimido cien veces.

El profesor Jang y un profesor de investigación en su grupo, Sergey Menabde, obtuvieron con éxito imágenes directas de ondas HIP que se propagan en muchas longitudes de onda y detectaron una señal del HIP ultracomprimido de alto orden en cristales regulares de h-BN por primera vez. Demostraron que los polaritones de fonones en los cristales de van der Waals pueden comprimirse significativamente más sin sacrificar su vida útil.

Esto fue posible gracias a las superficies atómicamente lisas de los cristales de oro de cosecha propia utilizados como sustrato para el h-BN. La dispersión superficial prácticamente nula y la pérdida óhmica extremadamente pequeña en el oro a frecuencias del infrarrojo medio proporcionan un entorno de baja pérdida para la propagación HIP. El modo HIP probado por los investigadores estaba 2,4 veces más comprimido y, sin embargo, exhibió una vida útil similar en comparación con los polaritones de fonones con un sustrato dieléctrico de baja pérdida, lo que resultó en una figura de mérito dos veces mayor en términos de longitud de propagación normalizada. /P>

Los copos de oro monocristalino ultrasuaves utilizados en el experimento fueron cultivados químicamente por el equipo del profesor N. Asger Mortensen del Centro de Nano Óptica de la Universidad del Sur de Dinamarca.

El espectro infrarrojo medio es particularmente importante para las aplicaciones de detección ya que 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 campos de fonón-polaritón ultracomprimidos pueden proporcionar fuertes interacciones luz-materia a nivel microscópico, mejorando así significativamente el límite de detección hasta una sola molécula. . La larga vida útil del HIP en oro monocristalino mejorará aún más el rendimiento de detección.

Además, el estudio realizado por el profesor Jang y el equipo demostró la sorprendente similitud entre el HIP y los plasmones de grafeno de imagen. Ambos modos de imagen poseen un campo electromagnético significativamente más confinado, pero su vida útil no se ve afectada por la longitud de onda del polaritón más corta. Esta observación proporciona una perspectiva más amplia de los polaritones de imagen en general y destaca su superioridad en términos de guía de ondas de nanoluz en comparación con los polaritones convencionales de baja dimensión en cristales de van der Waals en un sustrato dieléctrico.

El profesor Jang dijo:"Nuestra investigación demostró las ventajas de los polaritones de imagen, y especialmente los polaritones de fonón de imagen. Estos modos ópticos se pueden usar en los futuros dispositivos optoelectrónicos donde tanto la propagación de baja pérdida como la fuerte interacción luz-materia son necesarias". Espero que nuestros resultados allanarán el camino para la realización de dispositivos nanofotónicos más eficientes, como metasuperficies, interruptores ópticos, sensores y otras aplicaciones que operan en frecuencias infrarrojas". + Explora más

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