La ingeniería de interfaz permite transiciones topológicas ajustables en cristales biaxiales

La ingeniería de interfaz permite transiciones topológicas ajustables en cristales biaxiales


22 de abril de 2022

(Proyector de Nanowerk) Los polaritones en cristales biaxiales ofrecen una forma prometedora de manipular las interacciones luz-materia a nanoescala. La modulación dinámica de su dispersión es de gran importancia para la futura nanoóptica integrada, pero sigue siendo un desafío. Aquí informamos transiciones topológicas ajustables en un gráfico y α-MoO3 (G/MoO3) heteroestructura.

Demostramos y verificamos teóricamente tales polaritones adaptados en la interfaz de las heteroestructuras. La ingeniería de interfaces puede arrojar nueva luz sobre la polaritónica programable, la transferencia de energía y la fotónica neuromórfica.nano letras«Adaptación de transiciones topológicas de polaritones anisotrópicos mediante ingeniería de interfaz en cristales biaxiales»).

Los polaritones, cuasipartículas híbridas con fotones, ofrecen una oportunidad única para usar y manipular la luz a nanoescala debido a la fuerte interacción luz-materia. Los polaritones resultantes en los materiales de van der Waals presentan confinamiento ultra alto y baja pérdida, prometedores dispositivos nanofotónicos integrados y ultrafinos.

Esta gran promesa se deriva de sus propiedades de propagación controlables, que están dominadas por la dispersión de polaritones. Los principales enfoques actuales para lograr polaritones personalizados y su transición topológica incluyen: materiales estructurados de van der Waals (grafeno o nanocintas de hBN), heteroestructuras (α-MoO3/SiC) y bicapa torcida (nanocintas de grafeno torcidas, α-MoO torcidas3 capas dobles).

Sin embargo, todas estas herramientas de ingeniería carecen de capacidad de ajuste dinámico. La sintonización activa de polaritones anisotrópicos y sus transiciones topológicas es muy deseable para los circuitos fotónicos integrados, pero sigue sin explorarse.

«En este contexto, demostramos teóricamente estos polaritones hechos a medida en la interfaz de las heteroestructuras entre el grafeno y el α-MoO3El profesor Zhigao Dai de la Facultad de Ciencias de los Materiales y Química de la Universidad de Geociencias de China le dice a Nanowerk. “El acoplamiento entre las capas puede ser modulado tanto por la pila de grafeno como por α-MoO3y el tamaño del nivel de Fermi en gráficos que permiten una transición topológica dinámica. Polaritones de fonones de plasmones híbridos sintonizables en heteroestructuras de grafeno/alfa-MoO3 Polaritones híbridos sintonizables de plasmón-fonón en grafeno / α-MoO3 heteroestructuras. (a) Relación entre el nivel de Fermi requerido para una transición de frente de onda a 905 cm-1 y el espesor de α-MoO3. (b) Curvas de isofrecuencia para los polaritones híbridos en grafeno/α-MoO3 Heteroestructura con diferentes niveles de Fermi en grafeno a 905 cm-1. La heteroestructura se apila en un SiO2/Si sustrato. ( c – e ) Distribuciones de campo simuladas Re (Ez) y ( f – h ) las imágenes FFT correspondientes de polaritones híbridos de plasmón-fonón en grafeno / α-MoO3 heteroestructuras. Las curvas sólidas blancas denotan las bandas de dispersión calculadas de heteroestructuras. Las curvas discontinuas verde y roja corresponden a las curvas de dispersión del grafeno con diferentes niveles de Fermi y α-MoO3 en el sustrato y el espesor de α-MoO3 es 100nm (Reimpreso con permiso de la American Chemical Society)

“En este trabajo, propusimos tres configuraciones para construir completamente la interfaz de grafeno/α-MoO3 Heteroestructuras: α-MoO3/heteroestructura de grafeno, grafeno/α-MoO3 Heteroestructura y grafeno/α-MoO3/heteroestructura de grafeno”, dijo el profesor Huanyang Chen de la Facultad de Física de la Universidad de Xiamen. “Debido al sustrato con simetría rota en la dirección z, los polaritones del plasmón de superficie de grafeno se excitan con un impulso diferente en tres heteroestructuras, lo que da como resultado diferentes polaritones híbridos acoplados. Las transiciones topológicas pueden ocurrir en estas tres heteroestructuras”.

Además, se verificaron experimentalmente los polaritones híbridos en el G/MoO.3 heteroestructura. Las longitudes de onda y los vectores de onda de los polaritones híbridos también se pueden sintonizar fácilmente en diferentes direcciones en un amplio rango espectral cambiando solo ligeramente la frecuencia de excitación.

Como material de van der Waals, el espesor de α-MoO3 es un factor importante en el ajuste de la dispersión de polaritones hiperbólicos, lo que afecta a los polaritones híbridos plasmón-fonón en G/MoO3 heteroestructuras.

Curiosamente, a un nivel de Fermi constante, al ajustar el grosor de α-MoO, se produce una transición de frente de onda abierto a cerrado.3. Polaritones híbridos plasmón-fonón dependientes del espesor en heteroestructuras de grafeno/alfa-MoO3 Polaritones híbridos de plasmón-fonón dependientes del grosor en grafeno / α-MoO3 heteroestructuras. (a) Curvas de isofrecuencia para los polaritones híbridos en grafeno/α-MoO3 Heteroestructura con diferentes espesores de α-MoO3 a una frecuencia de 905 cm-1. La heteroestructura se apila en un SiO2/Si sustrato. ( b ) Relaciones de dispersión para PhP y polaritones híbridos en diferentes estructuras. Las curvas sólidas representan los resultados analíticos y los puntos muestran datos experimentales extraídos de s-SNOM. El nivel de Fermi del grafeno es de 0,2 eV. ( c – e ) Distribuciones de campo simuladas Re ( Ez ) y ( f – h ) las imágenes FFT correspondientes para el grafeno / α-MoO3 heteroestructura. Las curvas sólidas blancas denotan las bandas de dispersión calculadas de heteroestructuras. Las curvas discontinuas verde y roja corresponden a las curvas de dispersión de grafeno y α-MoO3 con diferentes espesores sobre el sustrato. Distribuciones de campo medidas experimentalmente a (i) 888 cm-1 y (j) 900 cm-1. El nivel de Fermi del grafeno es de 0,2 eV. Gráficos de líneas de polaritones híbridos medidos a lo largo de la línea púrpura (k) y la línea naranja (l) en (j). Los puntos son los datos medidos y las curvas sólidas son los ajustes. (Reimpreso con permiso de la American Chemical Society) (haga clic en la imagen para ampliar)

Para respaldar los resultados teóricos, un G/MoO3 Heteroestructura de diferentes espesores de α-MoO3 se hizo para verificar la dispersión elíptica de polaritones híbridos. Debido al cambio abrupto de espesor en α-MoO3la parte gruesa de G/MoO3 con un ancho limitado se puede aproximar a un vacío debido a la reflexión del escalón.

Los polaritones en la parte más gruesa de G/MoO3 Entonces, es probable que las heteroestructuras formen una resonancia, lo que conduce a una vida útil mejorada de los sistemas híbridos de plasmones y fonones.

Los polaritones personalizados y las transiciones topológicas sintonizables de los polaritones híbridos pueden proporcionar una base para construir dispositivos polaritones sintonizables electrónicamente, procesamiento de señales ópticas o circuitos fotónicos neuromórficos basados ​​en polaritones de baja pérdida. Proporcionado por Yali Zeng y Prof. Huanyang Chen, ambos Departamento de Física, Universidad de Xiamen; y Prof. Zhigao Dai, Facultad de Ciencias de los Materiales y Química, Universidad de Geociencias de China

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