2018-10-25 19:06:01
研究人员在二维材料中发现了定向长寿命纳米光

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一个国际研究小组报告说,局限于纳米尺度的光仅在特定方向上沿着三氧化钼薄板传播,三氧化钼是一种天然的各向异性二维材料。除了其独特的方向特性之外,这种纳米光传播的时间非常长,因此在纳米级的信号处理、传感和热量管理方面有可能应用。

未来的信息和通信技术将不仅依赖于电子的操控,也依赖于纳米尺度的光的操控。多年来,将光限制在如此小的区域一直是纳米光子学的主要目标。一个成功的策略是使用极化子,极化子是光和物质耦合产生的电磁波。在二维材料中,例如石墨烯和六方氮化硼,可以利用红外频率的偏振器实现特别强的光压缩。研究人员已经获得了非凡的极化特性,例如石墨烯极化子与这些材料的电调谐,但是极化子总是被发现沿着材料表面的所有方向传播,因此能量快速流失,这限制了它们的应用潜力。

最近,研究人员预测极化子可以沿着二维材料的表面各向异性地传播,在二维材料中,电子或结构特性沿着不同的方向是不同的。在这种情况下,偏振器的速度和波长强烈依赖于它们传播的方向。这一特性可以导致以纳米级受限射线形式的高度定向极化传播,这可能会在传感、热管理和量子计算领域找到未来的应用。

现在,由乔良·鲍(澳大利亚墨尔本莫纳什工程公司)、帕布罗·阿隆索·冈萨雷斯(西班牙奥维多大学)和雷恩布兰德(西班牙圣塞巴斯蒂安CIC nanoGUNE )领导的一个国际小组已经发现了超密闭红外偏振器,它只沿着天然二维材料三氧化钼(α- moo 3 )的薄板向特定方向传播。

“我们发现α- moo 3是红外纳米光子学的独特平台,”乔良·鲍说。

“在我们的α- moo 3薄片上发现北极星只沿着某个方向行进,这令人惊讶,”研究生兼第一作者魏亮·马说。

共同第一作者李少娟补充道:“迄今为止,只在人工结构材料中实验观察到极化子的定向传播,在人工结构材料中,最终的极化子限制比在自然材料中更难实现。”

除了定向传播之外,这项研究还揭示了α- moo 3上的北极星可能有非常长的寿命。“光似乎在α- moo 3上走纳米级公路;该论文的第一作者之一帕布鲁·阿隆索-冈萨雷斯说:“它沿着特定的方向行进,几乎没有任何障碍。”。他补充道,“我们的测量显示,α- moo 3上的极化子寿命高达20皮秒,比高质量石墨烯在室温下的最佳极化子寿命大40倍。"

因为北极星的波长比光的波长小得多,研究人员不得不使用一种特殊的显微镜,即所谓的近场光学显微镜来对它们成像。Rainer Hillenbrand补充道:“这项技术的建立正好与新型范德华材料的出现相吻合,在过去的几年里,这使得各种独特甚至意想不到的北极星成像成为可能。”

为了更好地理解实验结果,研究人员开发了一种理论,允许他们提取α- moo 3中极化子的动量与其能量之间的关系。“我们已经意识到,挤压在α- moo 3中的光可能会变成‘双曲线’,使能量和波前沿着表面向不同方向传播,这可能会在光学领域产生有趣的奇异效应,如负折射或超透镜效应,”多诺斯蒂纳国际物理中心( DIPC )的阿列克谢·尼基京说,他与哈维尔·塔博达-古铁雷斯和哈维尔·马丁-桑切斯以及阿隆索-冈萨雷斯集团的博士后研究人员合作开发了这一理论。

目前的工作只是一系列研究的开始,这些研究侧重于在纳米级超低损耗偏振器的帮助下对光进行定向控制和操控,这可能有利于开发更高效的用于光学传感和信号处理或热量管理的纳米光子器件。

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