Les physiciens ont trouvé un moyen de contrôler la longueur et la force des ondes de mouvement atomique appelées polaritons qui ont des utilisations potentielles prometteuses telles que l'imagerie à petite échelle et la transmission d'informations dans des espaces restreints. Les hétérostructures faites de graphène et de nitrure de bore hexagonal supportent des polaritons hybrides plasmon-phonon qui peuvent être réglés électroniquement.

Les chercheurs ont mesuré des ondes appelées polaritons qui peuvent émerger lorsque la lumière interagit avec la matière. En combinant deux matériaux, ils ont produit des polaritons hybrides qui se propagent dans de nombreuses couches d'un matériau cristallin et peuvent être contrôlés avec une simple porte électrique. L'équipe, dirigé par Dimitri Basov et Michael Fogler, professeurs de physique à l'Université de Californie, San Diego, rapportent leur succès dans Nature Nanotechnologie .

"Notre travail démontre que de nouvelles propriétés des ondes polaritoniques peuvent être obtenues en combinant artificiellement différents matériaux, " dit Siyuan Dai, un étudiant diplômé du groupe de Basov responsable d'une grande partie du travail expérimental, et l'auteur principal du rapport. "Les polaritons hybrides sont plus forts et peuvent se propager plus longtemps et ont donc un plus grand potentiel dans les applications."

Cette équipe collaborative a été l'une des deux à avoir démontré pour la première fois des polaritons dans des couches de carbone à un seul atome appelées graphène. Dans le graphène, la lumière infrarouge lance des ondulations à travers les électrons à la surface de ce matériau métallique appelé polaritons de plasmon de surface que les chercheurs ont pu contrôler à l'aide d'un simple circuit électrique.

La lumière infrarouge peut également lancer des polaritons dans un type différent de cristal bidimensionnel appelé nitrure de bore hexagonal. Des ondes de mouvement atomique appelées polaritons de phonons se propagent à travers des plaques de hBN formées par des empilements de cristaux en forme de feuille. Les groupes de recherche de Basov et Fogler ont déjà montré que la variation du nombre de couches de hBN pouvait contrôler la forme d'onde des polaritons des phonons.

Une fois fabriqué cependant, un dispositif en hBN confinerait les polaritons de phonons à une seule gamme étroite de longueurs d'onde et d'amplitudes.

En recouvrant un empilement de hBN d'une seule couche de graphène, l'équipe a créé un nouveau matériau agile avec des polaritons hybrides qui se propagent dans toute la dalle cristalline mais peuvent être réglés avec une porte électronique.

Les deux types de polaritons se couplent, une considération théorique déterminée et des preuves expérimentales confirmées. Par conséquent, ce matériau fabriqué par l'homme manipule le rayonnement électromagnétique - la lumière - d'une manière jamais observée dans les matériaux naturels. Il correspond à la définition d'un métamatériau, une classe de structures réalisée pour la première fois à l'UC San Diego il y a 15 ans et qui commence à être exploitée pour une utilisation pratique potentielle.

"Nos structures sont fabriquées à partir du nouveau matériau miracle, le graphène et son cousin le nitrure de bore, qui leur confèrent plusieurs avantages par rapport aux métamatériaux traditionnels à base de métal. Les principaux avantages comprennent un énorme degré d'accordabilité, pertes relativement faibles, et ultra-petite épaisseur, " a déclaré Fogler.

"Nous avons maintenant démontré une toute nouvelle classe de métamatériaux électromagnétiques qui sont fabriqués à partir de plans atomiques séparés de matériaux de van der Waals, ", a déclaré Basov. "Les métamatériaux électromagnétiques révolutionnent les technologies d'imagerie et de capteurs. Depuis la démonstration initiale, ces systèmes ont déjà évolué vers des applications pratiques."