Los investigadores señalan las condiciones para la formación de excitones-polaritones 2D inusuales en los TMD. Crédito:Fabien Vialla
Las mediciones de la respuesta óptica de los dicalcogenuros de metales de transición 2-D ahora han identificado sistemas de materiales reales en los que se puede formar una cuasipartícula hipotetizada que aprieta la luz. El excitón-polaritón 2-D, que acopla luz a pares de electrones-huecos enlazados en forma de excitones de una manera inusual, puede confinar la luz a dimensiones órdenes de magnitud por debajo del límite de difracción. Confinar la luz a un grado tan alto puede afectar más que el poder de resolución de los dispositivos de imágenes y la sensibilidad del detector. Estudios recientes de modos de cavidad han sugerido que la luz muy confinada también podría alterar las propiedades inherentes de los materiales.
Los polaritones describen una amplia gama de cuasipartículas que son mitad luz y mitad materia. Como resultado, es posible manipular un aspecto utilizando el otro. Los polaritones en materiales 2-D en particular han atraído mucho interés a este respecto, porque el confinamiento de la luz que exhiben puede ser particularmente extremo, y se puede manipular a través del aspecto de materia de la cuasipartícula. Esto ya ha atraído interés en el grafeno (monocapas de carbono cristalino hexagonal), en el que el acoplamiento de luz con electrones resonantes (plasmones-polaritones) puede conducir a dispositivos más convenientes a un costo más económico, longitud de onda más amplia, detectores de infrarrojos de alto rendimiento.
Formas 2-D de semiconductores de dicalcogenuros de metales de transición (TMD) como MoS 2 , MoSe 2 , WS 2 y WSe 2 también han despertado interés durante los últimos ocho años, pero estos materiales se comportan de manera bastante diferente. Mucho más propenso a los defectos que el grafeno, Los TMD no admiten plasmones. Sin embargo, Se han observado excitones debido a la naturaleza semiconductora de los TMD, incluso a temperatura ambiente. Itai Epstein y el líder del grupo Frank Koppens, ambos investigadores del Institut de Ciencies Fotoniques (ICFO) en España, dirigió un equipo internacional de colaboradores para arrojar luz sobre un tipo particular de excitón polaritón en TMD 2-D que nadie ha observado hasta ahora.
Un nuevo tipo de polariton
Los polaritones del excitón observados hasta ahora se acoplan a la luz perpendicular al plano de la monocapa, pero las teorías sugieren que la luz podría acoplarse a los excitones de un TMD monocapa de una manera que se asemeja más al acoplamiento a los plasmones. "Se acopla al excitón de tal manera que ambos se unen a la propia monocapa y se propagan a lo largo de ella como un tipo especial de onda, "explica Epstein, mientras describe lo que distingue a estos excitones-polaritones 2-D de los excitones-polaritones que se han observado antes.
Sin embargo, No estaba claro si las monocapas TMD realmente pueden proporcionar la respuesta material requerida para soportar tales excitones-polaritones 2-D, ya que las observaciones anteriores sugirieron que tal vez no. "Para nosotros era importante demostrar experimentalmente que esta no es una idea que no esté relacionada con la realidad, "Agrega Epstein." Demostramos que si uno puede controlar las propiedades de los excitones TMD, las condiciones requeridas para los excitones-polaritones 2-D son, Por supuesto, alcanzable de obtener de un TMD real ".
Lo que necesita la cuasipartícula
Los excitones en los TMD 2-D ya han demostrado ser una fuente de fenómenos fascinantes. De hecho, Koppens y Epstein habían informado recientemente mediciones de excitones en TMD 2-D que absorben cerca del 100% de la luz que cae sobre ellos. Viniendo de una experiencia en plasmónicos, Epstein estaba interesado en cómo las condiciones de resonancia para esta absorción del 100% se parecían a las condiciones necesarias para la existencia de excitones-polaritones 2-D.
Una de las primeras cosas que hace la gente cuando trata de observar efectos interesantes en materiales 2-D es encapsularlos en nitruro de boro hexagonal 2-D (hBN). A veces descrito como el verdadero "material maravilloso" en la investigación de materiales 2-D, hBN es muy plano y limpio, lo que le ayuda no solo a conservar, sino para mejorar las características de los materiales 2-D. Por ejemplo, ya se ha demostrado que los excitones en un TMD 2-D encapsulado en hBN se asemejan a las características de los excitones en una monocapa que está completamente libre de defectos.
El segundo truco consiste en suprimir las vibraciones reticulares que amortiguan los excitones, haciendo casi imposible observar los esquivos polaritones de excitones 2-D. Estas vibraciones de celosía se pueden suprimir bajando la temperatura. Los procesos de amortiguación se expresan como un término imaginario en el valor complejo de la permitividad de un material (su polarizabilidad en respuesta al campo electromagnético de la luz incidente). Sin embargo, para que existan los excitones-polaritones 2-D similares a plasmones, así como baja amortiguación, la parte real de la permitividad debe ser negativa. Al medir características ópticas como el contraste de reflexión y la permitividad compleja de TMD 2-D encapsulados en hBN a temperaturas criogénicas, Epstein, Koppens y sus colaboradores pudieron identificar el rango de frecuencia y las condiciones donde la parte real de la permitividad era negativa mientras que el amortiguamiento era bajo. También pudieron calcular y comparar el confinamiento de luz del excitón-polaritón 2-D versus un plasmón-polaritón de superficie en la interfaz de una monocapa de hBN sobre un sustrato de oro. El confinamiento del excitón-polaritón 2-D fue más de 100 veces mayor que el del plasmón de superficie-polaritón.
En el informe, Epstein, Koppens y sus colaboradores describen las estructuras necesarias para observar los propios polaritones del excitón 2-D, TMD modelado en nanocintas o TMD 2-D encapsulado en hBN colocado sobre una rejilla metálica delgada. Si bien el uso de una rejilla evitaría las pérdidas incurridas por los bordes ásperos al modelar el TMD en sí, Ambos enfoques requieren una nanofabricación formidablemente precisa. Epstein considera que estas estructuras "definitivamente factibles, "aunque su construcción será un desafío". Ahora estamos centrando nuestros esfuerzos en lograr las capacidades para fabricar las estructuras con patrones requeridas de una manera confiable y consistente mediante el uso de instalaciones de nanofabricación de vanguardia, " él añade.
Koppens destaca cómo los desarrollos pueden alimentar el campo emergente de la fotónica en modo de cavidad, que analiza cómo los fotones virtuales que aparecen y desaparecen afectan el comportamiento de un sistema, incluso en el vacío y en ausencia de luz. Los experimentos han demostrado que los productos de las reacciones químicas pueden ser diferentes en una cavidad óptica y se han predicho cambios en las propiedades de los materiales, como el inicio de la superconductividad. El confinamiento de luz extrema puede actuar sobre los sistemas de la misma manera que una cavidad óptica. "El efecto funciona mejor cuando la luz está fuertemente comprimida, cuanto más comprimida, cuanto más fuerte sea la interacción con el material, ", dice Koppens. La investigación en este sentido puede apuntar hacia efectos interesantes sobre las propiedades materiales del TMD cuando se cumplen las condiciones para que se formen estos polaritones de excitones 2-D.
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