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纳米光学学

纳米光学学

“光子的扭曲”带来可调谐衍射光线

11 Jun 2020 安娜德明
艺术家在2D材料中对异常光波传播模式的印象
扭曲的光子学:当两层相对于光子魔法角度相对于彼此旋转时,三氧化钼的双层沿着直线路径支撑高度异常的光传播。 (礼貌:CUNY高级科学研究中心)

光线衍射,因为它在物体周围传播。如果没有,则设计量子光学器件和将光学显微镜进行解析纳米级图像将更容易。现在,研究人员的国际合作表明,可以进行分散和衍射的传播,分辨率将衍射限制击败了2D二氧化二氧化钼的扭曲层。这些光子效应镜像电子在扭曲的双层石墨烯中的行为,其中没有阻力的电子行进的报告踢出了被称为“扭曲学”的2D材料研究的丰富新领域。

2018年 Pablo Jarillo-Herrero 并且同事观察到蜂窝状碳原子晶格的原始双层石墨烯层中的电子可以施加超导,或者在卷起绝缘子状态(取决于是否施加电场)时)关于另一个的“魔角”。在本公告之后,对数量爆炸的其他扭曲2D系统的报告。但是,虽然具有奇怪的电子抗魔术的科学家们用魔法角图石墨烯的竞争来挑选足够的电子来耦合,但是这种所谓的“平带”行为也能够耦合在超导体后面的基础上,这也是刺激了光子学研究人员的新思想。

光子平带

andreaalù.是,纽约城市大学和最新报告的高级作者的研究员(发表在 自然) 注意到,在魔法角扭曲双层石墨烯中,术语“平带”是指当它们的动量增加时,电子能量达到的状态,而不是用动量线性增加(因为它们在一层石墨烯中。这种行为出现,因为当两个碳晶片层彼此扭曲时扭曲如此略微扭曲,它们之间的电子隧道隧道经历了具有新的周期性变化的潜在场,如两个音乐音调的跳动。

当然,光子学涉及光而不是电子传输。然而,Alù和他的合作者意识到光子“Metasurfaces”中也可能发生类似的平频带行为 - 也就是说,具有构成和结构的材料,以支持其表面的异常光子效应。

通常,光从圆形波前的点源散发出来,就像圆形圆圈的环掉在池塘中。然而,在设计有各向异性光子响应的元件中,这些环变成了椭圆。在他们的极端,这些椭圆甚至可以采用双曲形状,如火箭伸出逃逸速度的轨迹。观察到的光子平带和同事在椭圆形和双曲线反应之间的过渡处出现,这在由石墨烯纳米栅格栅格制成的元表面的共振频率下发生。

灵感来自扭曲的发展,研究人员决定调查两个分层元件中的光子平带行为是否会改变,如果元件相对于彼此扭曲。它们计算出通过控制两个表面之间的相对角度,它们可以简单地将平条与谐振频率移开。这将是一个巨大的奖励,因为元表面强烈地吸收了谐振频率的光线,这将使它难以利用平带效果。然而,对于这种效果在不遭受大的非录像的情况下工作,他们发现它们需要在它们的元表面中使纳米杆间距非常密集地间隔,具有甚至最复杂的纳米制造技术的特征。

天然平坦的乐队

这些严格的纳米制造要求对研究人员努力提出了严峻的挑战,以实验实验验证其结果。突破来了,报道称,一种自然(即非结构化)2D材料称为α-钼三氧化物(α-Moo3)在称为Phonon-Polaritons的Quasipartics中表现出异常的色散行为,当事件的光子和材料的晶格中的振动并振动时出现。 “有趣的是,Moo3 自然支持平面中的双曲线偏振子传播,这正是我们所需的概念所需的工作,没有任何复杂的制造要求,“alù告诉 物理世界.

他和他的合作者服用了两层2Dα-Moo3 彼此相对于旋转并使用纳米级金属尖端来激发声子 - 极性官。然后,它们用与扫描近场光学显微镜(SNOM)探针相同的尖端,其测量非传播近场,以实现非衍射限制的极性磁极图像。

这些实验揭示了在两种α-moo的魔法角度扭曲的全部重要的平带的存在 3 Phonon-Polaritons作为没有衍射的光线传播的层。虽然衍射限制了将光传播到大约其波长的大约一半的分辨率,但是研究人员将射线的全宽半最大的全宽半最大在其自由空间波长的1/40处的缺陷附近。射线的衰减长度也几乎八倍Phonon-Polariton衰减长度在单层α-Moo中的平坦带共振处3。即使层的厚度变化,表明它们不容易被扰动,也观察到效果 - 典型的拓扑现象的鲁棒性。

“对我来说,最令人兴奋的部分是如何从纯几何公式中预测这种现象的美丽,”alu解释道。 “覆盖与每个隔离层相关的双曲形状并逐渐增加层之间的扭曲将导致双曲分散曲线相交的交叉点。起初,只有两个交叉点,但是当双曲线相交时,将有四个,它处于这个“魔角”,交叉点的数量会发生变化的流浪和相关效果。因为Hypebola相对于给定频率的格式是已知的,所以已知,因此可以仅通过计算交叉点来预测魔角。然后,您可以将扁平带子调整到α-moo的双曲频段内的任何感兴趣频率3 by twisting.”

弗兰克·科普斯是一位在西班牙的光子科学研究所没有参与论文的研究人员,指出扭曲的二维材料“已经将物质科学的全新时代开辟了一种以受控方式设计相关性的全新方式。 “在2D材料和纳米泳道的前沿工作的Koppens补充说,这次最新的工作“已经将扭曲纳米光源性的领域取得了扭曲,并且展示了纳米级光田的全新方法。”

研究人员预计它们的效果对于纳米成像,异常谐振特征,量子光学,低能量光信号处理和计算具有重要意义。

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