Nowe urządzenie integrujące polarytony 2D z elektrycznym systemem detekcji oznacza znaczący postęp w nanofotonice, oferując doskonałe pokrycie widmowe i klarowność sygnału.
Ta zminiaturyzowana platforma może przekształcić zastosowania w wykrywaniu i obrazowaniu poprzez poprawę możliwości ograniczania światła i wykrywania.
Dynamika polarytonowa w nanofotonice
Polarytony to wyjątkowe wzbudzenia powstające, gdy fale elektromagnetyczne łączą się z naładowanymi cząstkami lub wibracjami w strukturze atomowej materiału. W nanofotonice odgrywają kluczową rolę ze względu na ich zdolność do ograniczania światła w niewiarygodnie małych przestrzeniach, aż do objętości nanometrowych, co ma kluczowe znaczenie dla wzmocnienia interakcji między światłem a materią. Materiały dwuwymiarowe – tylko pojedyncze atom grube – są szczególnie skuteczne przy tworzeniu polarytonów. Te materiały 2D zapewniają ekstremalne ograniczenie światła, zmniejszone straty energii (wydłużenie czasu życia polarytonu) i większą przestrajalność niż materiały masowe.
Naukowcy wykorzystują je do dalszego udoskonalenia ograniczania światła i poprawy właściwości polarytonicznych nanoskala struktury zwane nanorezonatorami. Kiedy światło oddziałuje z nanorezonatorem, wzbudza polarytony, które oscylują i rezonują z określonymi częstotliwościami, ukształtowanymi przez materiał i geometrię rezonatora. Pozwala to na bardzo precyzyjną kontrolę światła w nanoskali, otwierając nowe możliwości zaawansowanej manipulacji optycznej.
Postępy i wyzwania w wykrywaniu polarytonu
Chociaż stosowanie polarytonów do ograniczania światła jest ustaloną praktyką, nadal istnieje możliwość ulepszenia metod mających na celu ich badanie. W ostatnich latach pomiary optyczne stały się powszechnym wyborem, jednak ich nieporęczne detektory wymagają sprzętu zewnętrznego. Ogranicza to miniaturyzację systemu detekcji i klarowność sygnału (tzw. stosunek sygnału do szumu), jaką można uzyskać z pomiarów, co z kolei utrudnia zastosowanie właściwości polarytonicznych w obszarach, w których te dwie cechy są istotne, takich jak wykrywanie molekularne.
Przełom w integracji i wykrywaniu polarytonu
Teraz badacze z ICFO dr Sebastián Castilla, dr Hitesh Agarwal, dr David Alcaraz, dr Adrià Grabulosa, Matteo Ceccanti, dr Roshan Krishna Kumar, pod przewodnictwem profesora ICREA Franka Koppensa; Uniwersytet w Janninie; Universidade do Minho; Międzynarodowe Laboratorium Nanotechnologii Iberyjskiej; Uniwersytet Stanowy w Kansas; Narodowy Instytut Nauki o Materiałach (Tsukuba, Japonia); POLIMA (Uniwersytet Południowej Danii); i URCI (Instytut Nauki o Materiałach i Obliczeń, Joannina) wykazali w: a Komunikacja przyrodnicza artykuł dotyczący integracji polarytonów 2D z systemem detekcji w tym samym materiale 2D.
Zintegrowane urządzenie umożliwia po raz pierwszy spektralnie rozdzielczą detekcję elektryczną dwuwymiarowych nanorezonatorów polarytonowych i stanowi znaczący krok w kierunku miniaturyzacji urządzeń.
Zalety spektroskopii elektrycznej w badaniach polarytonowych
Zespół zastosował spektroskopię elektryczną do stosu trzech warstw materiałów 2D, w szczególności na wierzchu umieszczono warstwę hBN (sześciokątnego azotanu boru). grafenktóry nałożono na inny arkusz hBN. Podczas eksperymentów badacze zidentyfikowali kilka zalet spektroskopii elektrycznej w porównaniu z komercyjnymi technikami optycznymi. W przypadku tego pierwszego zakres widmowy jest znacznie szerszy (to znaczy obejmuje szerszy zakres częstotliwości, w tym podczerwień i terahercowy zakresach), wymagany sprzęt jest znacznie mniejszy, a pomiary wykazują wyższy stosunek sygnału do szumu.
Implikacje platform elektro-polarytonicznych dla przyszłej technologii
Ta platforma elektropolarytoniczna stanowi przełom w tej dziedzinie ze względu na dwie główne cechy. Po pierwsze, zewnętrzny detektor do spektroskopii, wymagany w większości technik optycznych, nie jest już potrzebny. Pojedyncze urządzenie pełni jednocześnie funkcję fotodetektora i platformy polarytonicznej, umożliwiając w ten sposób dalszą miniaturyzację systemu. Po drugie, chociaż ogólnie większe ograniczenie światła jest szkodliwe dla jakości tego ograniczenia (na przykład skraca czas trwania pułapki światła), zintegrowane urządzenie skutecznie pokonuje to ograniczenie. „Nasze platformy charakteryzują się wyjątkową jakością, osiągając rekordowe optyczne ograniczenie boczne i współczynniki wysokiej jakości wynoszące w przybliżeniu 200. Ten wyjątkowy poziom zarówno zamknięcia, jak i jakości grafenu znacznie zwiększa skuteczność fotodetekcji” – wyjaśnia dr Sebastián Castilla, pierwszy współautor artykułu.
Co więcej, metoda spektroskopii elektrycznej umożliwia badanie wyjątkowo małych polarytonów 2D (o rozmiarach bocznych około 30 nanometrów). „Wykrycie tego za pomocą konwencjonalnych technik było bardzo trudne ze względu na narzucone ograniczenia rozdzielczości” – dodaje.
Castilla zastanawia się teraz, jakie przyszłe odkrycia mogłyby zostać odblokowane dzięki ich nowemu podejściu. „Ta zintegrowana platforma elektropolarytoniczna może przynieść korzyści w zastosowaniach związanych z wykrywaniem, obrazowaniem hiperspektralnym i spektrometrią optyczną. Na przykład w przypadku wykrywania możliwa mogłaby stać się elektryczna detekcja cząsteczek i gazów na chipie” – sugeruje. „Wierzę, że nasza praca otworzy drzwi do wielu zastosowań, które utrudnia nieporęczny charakter standardowych platform komercyjnych”.
Odniesienie: „Elektryczna spektroskopia nanorezonatorów polarytonowych” autorstwa Sebastiána Castilli, Hitesha Agarwala, Ioannisa Vangelidisa, Yuliya V. Bludova, Davida Alcaraz Iranzo, Adrià Grabulosa, Matteo Ceccantiego, Michaiła I. Wasilewskiego, Roshana Krishny Kumara, Eli Janzena, Jamesa H. Edgara , Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Nuno MR Peres, Elefterios Lidorikis i Frank HL Koppens, 5 października 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-52838-w
