研究人员在二维材料中发现了定向的、长寿命的纳米光

由苏州大学(苏州，中国)、莫纳什大学(墨尔本，澳大利亚)、奥维耶多大学(阿斯图里亚斯，西班牙)和CIC nanoGUNE (San Sebastián，西班牙)的研究人员领导的一个国际团队发现，纳米尺度上的压缩光(“纳米光”)仅沿三氧化钼薄板(一种天然的各向异性二维材料)沿特定方向传播。

除了其独特的方向性，这种纳米光的寿命非常长，因此可以在纳米级的信号处理、传感或热管理中找到应用。

未来的信息和通信技术不仅依赖于对电子的操纵，还依赖于光在纳米尺度上的操纵。

多年来，将光压缩(限制)到如此小的尺寸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激元，它是光和物质耦合产生的电磁波。在二维材料(如石墨烯和六方氮化硼)中，在红外频率下的极化激元可以实现特别强的光压缩。

然而，尽管这些材料最近已经实现了非凡的极化激元特性(例如石墨烯极化激元的电调谐)，但极化激元总是被发现沿材料表面的各个方向传播，因此损失能量非常快，这限制了它们的应用潜力。

最近，有人预测极化激元可以沿二维材料表面“各向异性”传播，其中电子或结构性质沿不同方向是不同的。

在这种情况下，极性激元的速度和波长强烈地依赖于它们传播的方向。这种特性可以导致高度定向的极化子以纳米级受限射线的形式传播，这可能会在传感、热管理甚至量子计算领域找到未来的应用。

现在，由qioliang Bao (Monash Engineering)， Pablo Alonso-González (University of Oviedo, Spain)和Rainer Hillenbrand (CIC nanoGUNE, San Sebastián, Spain)领导的国际团队发现了超受限红外偏振子，仅沿天然二维材料三氧化钼薄板沿特定方向传播(αmoo3.）.

本研究采用散射型近场光学显微镜设备——MCN的neaSNOM显微镜进行极化子的测量。

“我们的研究结果承诺αmoo3.成为红外纳米光子学的独特平台，”鲍巧亮说。

“在我们的星球上发现偏振激元真是太神奇了αmoo3.薄薄片只沿着特定的方向移动，”研究生、第一作者之一马伟良说。

“到目前为止，极化子的定向传播只在人工结构材料中被实验观察到，在这种材料中，最终的极化子限制比在自然材料中更难实现，”共同第一作者李韶娟补充道。

除方向性传播外，研究还揭示了偏振子对αmoo3.可以有非常长的寿命。

“光似乎在纳米级的高速公路上行驶αmoo3.；它沿着某些方向几乎没有障碍，”该论文的共同第一作者巴勃罗Alonso-González说。他补充说:“我们的测量表明，极化激元在αmoo3.寿命高达20皮秒，这是室温下高质量石墨烯中最佳极化子寿命的40倍。”

图片来源:版权所有:李少娟

由于极化激元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成像它们。Rainer Hillenbrand补充说:“这项技术的建立与新型范德华材料的出现完美吻合，在过去的几年里，它能够成像各种独特的甚至意想不到的极化激元。”

为了更好地理解实验结果，研究人员开发了一种理论，使他们能够提取偏振激元动量之间的关系αmoo3.用他们的能量。“我们意识到光线挤进来了αmoo3.可以变成“双曲”，使能量和波前沿表面向不同方向传播，这可以导致光学中有趣的奇异效应(例如，负折射或‘超透镜’)，”Alexey Nikitin说，他是Donostia国际物理中心(DIPC)的Ikerbasque研究助理，他与Javier Taboada-Gutiérrez和Javier Martín-Sánchez合作，分别是Alonso-Gonzalez小组的博士和博士后研究人员。

目前的工作只是一系列研究的开始，这些研究聚焦于在纳米尺度上利用超低损耗极化激元对光的方向控制和操纵，这可能有利于开发更高效的纳米光子器件，用于光学传感和信号处理或热管理。

FLEET的纳米制造和光子学

舰队的标志在FLEET, qioliang Bao研究波导耦合二维半导体和等离子体耦合二维材料和器件，专注于有限空间光-物质相互作用对电子或其他准粒子(如极化元)输运的影响。

乔良是FLEET近100名研究人员之一，他们都被一个巨大的挑战所激励:减少信息和通信技术(ICT)的能源消耗，这已经占到全球电力消耗的至少8%，并且每十年就会翻一番。

FLEET (ARC未来低能电子技术卓越中心)将开发电流以最小阻力流动的系统，从而将浪费的能量耗散最小化，以及这种“无耗散”电流可以随意开关的设备。

这些设备将以超低能耗实现革命性的新电子和通信技术。

出版的手稿:

天然范德华晶体中的面内各向异性和超低损耗极化激元发表于今日自然；DOI: 10.1038 / s41586 - 018 - 0618 - 9

合作机构:苏州大学(中国)，莫纳什大学(澳大利亚)，奥维耶多大学(西班牙)，多诺斯蒂亚国际物理中心;西班牙)，CIC nanoGUNE(西班牙)，新南威尔士大学悉尼(澳大利亚)．

确认

以及舰队的资金澳大利亚研究理事会卓越中心计划，该研究得到了重要的国际支持，包括:

  • 中国国家自然科学基金，青年973计划，国家重点研究发展计划，江苏省自然科学基金，江苏省重点学术项目建设，高校合作项目，苏州纳米科技协同创新中心
  • 西班牙经济、工业和竞争力部Maria de Maeztu卓越单位计划。

这项工作部分是在墨尔本纳米制造中心(MCN)的维多利亚节点澳大利亚国家制造工厂(ANFF)。

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