Óptica cuántica, La espintrónica y las imágenes sin difracción con bajas pérdidas se encuentran entre las tecnologías que pueden beneficiarse de los efectos previstos recientemente en estructuras fotónicas bicapa retorcidas. El trabajo se inspira en un campo floreciente de investigación de la materia condensada:"twistronics, "en el que el comportamiento electrónico se puede alterar drásticamente controlando la torsión entre capas de materiales 2-D.

Cuando Pablo Jarillo-Herrero y su grupo anunciaron observaciones de propiedades electrónicas sintonizadas entre los estados superconductores y aislantes de Mott, hubo entusiasmo no solo entre los investigadores que trabajan en estrecha colaboración con el grafeno y materiales 2-D, sino en muchos otros campos. Naturalmente, no todas las comunidades de investigación esperaban encontrar fenómenos asociados en los sistemas que estudiaron.

"No había ninguna razón para pensar que esto sucedería en la fotónica; los efectos provienen de electrones correlacionados y, en cambio, trabajamos con fotones, "explica Andrea Alù, Profesor Einstein de la City University of New York (CUNY). No obstante, en un reciente Nano letras papel, él y sus colegas de CUNY, la Universidad Nacional de Singapur, y la Universidad de Texas en Austin han informado predicciones teóricas de cambios de comportamiento fotónico con torsión que son, en muchos sentidos, análogos a los cambios en el comportamiento electrónico observados por primera vez en el grafeno bicapa.

Bandas planas

Al girar una cuadrícula periódica con respecto a otra en la parte superior, Surgen nuevos patrones "Moiré" que pueden hacer que sus ojos se sientan mareados. Similar, Torcer una capa de celosía atómica de grafeno en forma de panal con respecto a otra produce una superrejilla de Moiré con propiedades dependientes de la torsión. Los campos de potencial periódicos cambian con efectos dramáticos sobre cómo se mueven los electrones, lo que afecta cómo los niveles de energía o las bandas disponibles cambian con el impulso del electrón. En un "ángulo mágico" de 1,1 °, terriblemente difícil de lograr en los experimentos, la pendiente se aplana por completo, un marcado contraste con el fuerte cambio de energía con el impulso que se encuentra en el grafeno de una sola capa. Al escuchar acerca de estas "bandas planas", los oídos de Alù se enderezaron porque habían notado bandas planas fotónicas en los sistemas de metasuperficie que estaban estudiando.

En metamateriales, La composición y estructura del material pueden darle propiedades ópticas que no se encontrarían en la naturaleza. tales como índices de refracción negativos o una respuesta óptica "hiperbólica" extremadamente asimétrica. En general, la luz que emana de una fuente puntual se ondula hacia afuera en anillos como las ondas de un guijarro que cae en un estanque. Pero en un metamaterial diseñado para que la respuesta óptica en una dirección sea diferente a la dirección perpendicular, los anillos se vuelven elípticos.

Lleva esa asimetría al extremo y las olas ya no forman anillos cerrados, pero despega siguiendo una hipérbola como un cohete a velocidad de escape. El efecto puede ser tentador en metamateriales, que tienden a tener muchas pérdidas, tan poca luz llega muy lejos de todos modos. Metasuperficies, sin embargo, dar el mismo efecto, pero en la superficie, donde realmente puede comenzar a explotar las interacciones mejoradas luz-materia de estas respuestas ópticas hiperbólicas.

Cortar el grafeno en tiras largas también afecta su comportamiento, y en 2015, Alù y su grupo demostraron que las nanocintas de grafeno pueden comportarse como una especie de metasuperficie. La luz que brilla sobre una nanocinta de grafeno envía un gran número de electrones que oscilan al unísono en respuesta al campo electromagnético incidente:"un plasmón". Más interesante aún en una parrilla periódica de nanocintas de grafeno, estos plasmones son hiperbólicos.

"La razón por la que la banda plana en grafeno bicapa retorcido resonó con nosotros es si se toma una superficie de nanocintas de grafeno, hay una amplia gama de frecuencias que dan una propagación hiperbólica, pero en un punto se vuelve elíptica:hay una banda plana para la luz, "dice Alù.

La banda plana fotónica significa que la luz viaja sin difracción y se maximizan las interacciones entre la materia luminosa. El problema es que el material también está en resonancia en este punto, lo que significa que su pérdida es máxima. Al escuchar sobre la banda plana en grafeno bicapa retorcido, Alù y sus colegas se preguntaron si apilar dos metasuperficies de nanocintas de grafeno podría proporcionar algún control de giro sobre estas bandas planas fotónicas.

Fotónica retorcida

Alù y sus colegas estudiaron la función de Green de las parrillas de nanocintas de grafeno bicapa para evaluar el comportamiento óptico. Descubrieron que las dos capas se acoplan dando un modo plasmón con dos energías para todo el sistema bicapa. Además, la frecuencia de la banda plana cambia de modo que las interacciones máximas de materia ligera son posibles cuando los materiales no están en resonancia. Finalmente, las transiciones de sus sistemas ocurren alrededor de los 45 °, mucho más grandes y más accesibles experimentalmente que el ángulo mágico en los sistemas bicapa de grafeno, reflejando la mayor periodicidad de la parrilla de nanocintas. Dado que el ángulo depende de la frecuencia, es posible realizar un barrido de frecuencias para encontrar el punto dulce exacto del sistema.

De hecho, la "canalización", la propagación de la luz sin difracción que se produce en el punto de la banda plana, ya se ha observado en un haz enviado a través de dos redes ópticas de luz en ángulos de torsión específicos. Las metasuperficies descritas por Alù y sus colegas proporcionan un sistema fotónico adicional para explorar efectos de torsión que pueden ser más fáciles de producir que el grafeno bicapa de ángulo mágico. además de destacar algunas nuevas físicas. "A mi, la parte más emocionante es la belleza de cómo se puede predecir esto a partir de fórmulas puramente geométricas, "dice Alù.

Además, los efectos fotónicos de banda plana pueden resultar útiles para aplicaciones, en particular la óptica cuántica y la imagen. "La gente se pregunta a menudo:¿cómo mejoramos la interacción de los emisores de luz confinados con la materia? y ¿cómo encaminamos la emisión mejorada sin difracción? ", dice Alù." Esta es una plataforma ideal:es de banda ancha y puede sintonizar la frecuencia ".

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