Une équipe internationale a signalé en La nature la première observation de polaritons fantômes, qui sont une nouvelle forme d'ondes de surface transportant une lumière nanométrique fortement couplée à des oscillations matérielles et présentant des propriétés de propagation hautement collimatées. L'équipe de recherche a observé ces phénomènes sur un matériau commun, la calcite, et a montré comment les polaritons fantômes peuvent faciliter un contrôle supérieur de la nano-lumière infrarouge pour la détection, traitement de signal, la récupération d'énergie et d'autres technologies.

Dans les années récentes, la nanophotonique aux fréquences infrarouges et térahertz est devenue importante pour les des technologies ultracompactes et à faibles pertes pour le diagnostic bio-moléculaire et chimique, capteurs, communications et autres applications. Les plates-formes de nanomatériaux qui peuvent faciliter les interactions lumière-matière améliorées à ces fréquences sont devenues essentielles pour ces technologies. Des travaux récents ont utilisé des matériaux de van der Waals de faible dimension, comme le graphène, nitrure de bore hexagonal et trioxyde de molybdène en phase alpha (α-MoO3, Nature 2018), en raison de leur réponse très exotique à la lumière confinée à l'échelle nanométrique. Cependant, ces nanomatériaux émergents nécessitent des techniques de nanofabrication exigeantes, entraver les technologies nanophotoniques à grande échelle.

Écrire dans La nature le 18 août 2021, une équipe internationale hautement collaborative dirigée par des scientifiques du City University of New York Advanced Science Research Center au Graduate Center, Université des sciences et technologies de Huazhong (HUST), L'Université nationale de Singapour (NUS) et le Centre national des nanosciences et de la technologie (NCNST) ont signalé que la calcite - un cristal en vrac bien connu couramment utilisé dans d'autres technologies - peut naturellement supporter des polaritons fantômes.

L'équipe a exploré les interactions de la lumière avec la calcite et a trouvé des réponses inattendues de polaritons de phonons infrarouges. Ils ont démontré que la calcite, qui peut être facilement poli, peut supporter des ondes de surface de polaritons fantômes qui présentent des complexes, moment hors du plan totalement différent de tout polariton de surface observé à ce jour.

"La polaritonique est la science et la technologie d'exploitation des interactions fortes de la lumière avec la matière, et il a révolutionné les sciences optiques ces dernières années, " a déclaré Andrea Alù, Professeur Einstein de physique au Graduate Center et directeur fondateur de l'Initiative photonique au Advanced Science Research Center du CUNY Graduate Center. "Notre découverte est le dernier exemple de la science passionnante et de la physique surprenante qui peuvent émerger de l'exploration de polaritons dans des matériaux conventionnels comme la calcite."

« Nous avons utilisé la microscopie optique à champ proche à balayage de type diffusion (s-SNOM) pour sonder ces polaritons fantômes, " a déclaré le premier auteur Weiliang Ma, un doctorat candidat à l'HUST. "Étonnamment, nous avons montré une propagation de nano-lumière semblable à un rayon jusqu'à 20 micromètres, une distance record pour les ondes polaritons à température ambiante."

« Nous avons été ravis de trouver une nouvelle solution des équations de Maxwell comportant des élan hors du plan. Et encore plus excitant, nous avons pu l'observer dans un cristal très commun." dit Guangwei Hu, co-premier auteur, Stagiaire postdoctoral NUS et visiteur de longue durée à la CUNY.

"Ce type de polaritons peut être accordé par leur axe optique, introduire une nouvelle façon de manipuler les polaritons, dit Cheng-Wei Qiu, Professeur titulaire de la chaire du doyen à la NUS. "Nous pensons que nos découvertes stimuleront l'exploration de divers cristaux optiques pour la manipulation de la lumière à l'échelle nanométrique."

Les professeurs Debo Hu et Qing Dai du NCNS et Runkun Chen, doctorat et le professeur Xinliang Zhang de HUST ont également contribué de manière significative à ce travail.