Les chercheurs du Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) et leurs collaborateurs nationaux et étrangers ont démontré avec succès une nouvelle plate-forme pour guider les ondes lumineuses compressées dans des cristaux de van der Waals très fins. Leur méthode pour guider la lumière infrarouge moyen avec une perte minimale constituera une percée pour les applications pratiques des cristaux diélectriques ultra-minces dans les dispositifs optoélectroniques de nouvelle génération basés sur de fortes interactions lumière-matière à l'échelle nanométrique.

Les phonon-polaritons sont des oscillations collectives d'ions dans des diélectriques polaires couplées à des ondes électromagnétiques de lumière, dont le champ électromagnétique est beaucoup plus compressé par rapport à la longueur d'onde de la lumière. Récemment, il a été démontré que les polaritons de phonons dans les cristaux minces de van der Waals peuvent être encore plus compressés lorsque le matériau est placé sur un métal hautement conducteur. Dans une telle configuration, les charges du cristal polaritonique sont "réfléchies" dans le métal, et leur couplage avec la lumière se traduit par un nouveau type d'ondes polaritoniques appelées phonons-polaritons image. Les modes d'image hautement compressés fournissent de fortes interactions lumière-matière, mais sont très sensibles à la rugosité du substrat, ce qui entrave leur application pratique.

Défiés par ces limitations, quatre groupes de recherche ont combiné leurs efforts pour développer une plate-forme expérimentale unique utilisant des méthodes de fabrication et de mesure avancées. Leurs découvertes ont été publiées dans Science Advances le 13 juillet.

Une équipe de recherche KAIST dirigée par le professeur Min Seok Jang de l'École de génie électrique a utilisé un microscope optique à champ proche à balayage très sensible (SNOM) pour mesurer directement les champs optiques des phonons-polaritons d'image hyperbolique (HIP) se propageant dans un 63 nm -plaque épaisse de nitrure de bore hexagonal (h-BN) sur un substrat d'or monocristallin, montrant les ondes lumineuses de l'infrarouge moyen dans un cristal diélectrique comprimé cent fois.

Le professeur Jang et un professeur-chercheur de son groupe, Sergey Menabde, ont obtenu avec succès des images directes d'ondes HIP se propageant sur de nombreuses longueurs d'onde et ont détecté pour la première fois un signal provenant du HIP d'ordre élevé ultra-compressé dans des cristaux de h-BN réguliers. Ils ont montré que les phonons-polaritons dans les cristaux de van der Waals peuvent être considérablement plus compressés sans sacrifier leur durée de vie.

Cela est devenu possible grâce aux surfaces atomiquement lisses des cristaux d'or locaux utilisés comme substrat pour le h-BN. Une diffusion de surface pratiquement nulle et une perte ohmique extrêmement faible dans l'or aux fréquences infrarouges moyennes fournissent un environnement à faible perte pour la propagation HIP. Le mode HIP sondé par les chercheurs était 2,4 fois plus compressé et présentait pourtant une durée de vie similaire à celle des phonons-polaritons avec un substrat diélectrique à faible perte, ce qui se traduisait par un facteur de mérite deux fois plus élevé en termes de longueur de propagation normalisée. /P>

Les flocons d'or monocristallins ultra-lisses utilisés dans l'expérience ont été cultivés chimiquement par l'équipe du professeur N. Asger Mortensen du Centre de nano-optique de l'Université du Danemark du Sud.

Le spectre infrarouge moyen est particulièrement important pour les applications de détection car de nombreuses molécules organiques importantes ont des raies d'absorption dans l'infrarouge moyen. Cependant, un grand nombre de molécules est requis par les méthodes de détection conventionnelles pour un fonctionnement réussi, alors que les champs phonon-polariton ultra-comprimés peuvent fournir de fortes interactions lumière-matière au niveau microscopique, améliorant ainsi considérablement la limite de détection jusqu'à une seule molécule. . La longue durée de vie du HIP sur l'or monocristallin améliorera encore les performances de détection.

De plus, l'étude menée par le professeur Jang et l'équipe a démontré la similitude frappante entre le HIP et les plasmons du graphène image. Les deux modes d'image possèdent un champ électromagnétique nettement plus confiné, mais leur durée de vie n'est pas affectée par la longueur d'onde de polariton plus courte. Cette observation offre une perspective plus large sur les polaritons d'image en général, et met en évidence leur supériorité en termes de guidage d'onde nanolight par rapport aux polaritons conventionnels de basse dimension dans les cristaux de van der Waals sur un substrat diélectrique.

Le professeur Jang a déclaré :« Nos recherches ont démontré les avantages des polaritons d'image, et en particulier des phonons-polaritons d'image. Ces modes optiques peuvent être utilisés dans les futurs dispositifs optoélectroniques où à la fois la propagation à faible perte et la forte interaction lumière-matière sont nécessaires. J'espère que nos résultats ouvriront la voie à la réalisation de dispositifs nanophotoniques plus efficaces tels que des métasurfaces, des commutateurs optiques, des capteurs et d'autres applications fonctionnant à des fréquences infrarouges. » + Explorer plus loin

L'étude des plasmons acoustiques du graphène ouvre la voie à des applications optoélectroniques