Optique quantique, la spintronique et l'imagerie sans diffraction avec une faible perte sont parmi les technologies qui peuvent bénéficier des effets récemment prédits dans les structures photoniques bicouches torsadées. L'œuvre s'inspire d'un domaine en plein essor de la recherche sur la matière condensée — « la twistronique, " dans lequel le comportement électronique peut être considérablement modifié en contrôlant la torsion entre les couches de matériaux 2D.

Lorsque Pablo Jarillo-Herrero et son groupe ont annoncé des observations de propriétés électroniques réglées entre les états supraconducteur et isolant de Mott, il y avait de l'enthousiasme non seulement parmi les chercheurs travaillant en étroite collaboration avec le graphène et les matériaux 2D, mais dans de nombreux autres domaines. Naturellement, toutes les communautés de recherche ne s'attendaient pas à trouver des phénomènes associés dans les systèmes qu'elles ont étudiés.

"Il n'y avait aucune raison de penser que cela se produirait en photonique - les effets proviennent d'électrons corrélés et nous travaillons plutôt avec des photons, " explique Andrea Alù, Professeur Einstein à la City University of New York (CUNY). Néanmoins dans une récente Lettres nano papier, lui et ses collègues de CUNY, l'Université nationale de Singapour, et l'Université du Texas à Austin ont rapporté des prédictions théoriques de changements de comportement photonique avec une torsion qui sont à bien des égards analogues aux changements de comportement électronique observés pour la première fois dans le graphène bicouche.

Bandes plates

Lorsque vous tordez une grille périodique par rapport à une autre sur le dessus, de nouveaux motifs « Moiré » émergent qui peuvent donner le vertige à vos yeux. De la même manière, la torsion d'une couche de réseau atomique de graphène en forme de nid d'abeilles par rapport à une autre produit un super réseau de Moiré avec des propriétés dépendantes de la torsion. Les champs de potentiel périodiques changent avec des effets dramatiques sur la façon dont les électrons se déplacent, qui affecte la façon dont les niveaux d'énergie ou les bandes disponibles changent avec la quantité de mouvement de l'électron. À un "angle magique" de 1,1° - atrocement difficile à réaliser dans les expériences - la pente s'aplatit complètement, un contraste frappant avec le changement abrupt d'énergie avec l'élan trouvé dans le graphène à couche unique. C'est en entendant parler de ces "bandes plates" que les oreilles d'Alù se sont dressées car ils avaient remarqué des bandes plates photoniques dans les systèmes de métasurfaces qu'ils étudiaient.

Dans les métamatériaux, la composition et la structure du matériau peuvent lui conférer des propriétés optiques que l'on ne trouverait pas dans la nature, tels que des indices de réfraction négatifs ou une réponse optique « hyperbolique » extrêmement asymétrique. En général, la lumière émanant d'une source ponctuelle ondule vers l'extérieur en anneaux comme les vagues d'un caillou tombé dans un étang. Mais dans un métamatériau conçu pour que la réponse optique dans une direction soit différente de la direction perpendiculaire, les anneaux deviennent elliptiques.

Poussez cette asymétrie à l'extrême, et les vagues ne forment plus du tout d'anneaux fermés, mais décoller le long d'une hyperbole comme une fusée à vitesse de fuite. L'effet peut être alléchant dans les métamatériaux, qui ont tendance à être très perdants, si peu de lumière va très loin de toute façon. Métasurfaces, cependant, donner le même effet, mais en surface, où vous pouvez vraiment commencer à exploiter les interactions lumière-matière améliorées à partir de ces réponses optiques hyperboliques.

Couper le graphène en longues bandes affecte également son comportement, et en 2015, Alù et son groupe ont montré que les nanorubans de graphène pouvaient se comporter comme une sorte de métasurface. La lumière projetée sur un nanoruban de graphène envoie un grand nombre d'électrons osciller à l'unisson en réponse au champ électromagnétique incident - "un plasmon". Plus intéressant encore dans une grille périodique de nanorubans de graphène ces plasmons sont hyperboliques.

"La raison pour laquelle la bande plate en graphène bicouche torsadé a résonné avec nous est que si vous prenez une surface de nanoruban de graphène, il y a une large gamme de fréquences qui donne une propagation hyperbolique mais à un moment elle devient elliptique - il y a une bande plate pour la lumière, " dit Alu.

La bande plate photonique signifie que la lumière voyage sans diffraction et que les interactions lumière-matière sont maximisées. Le hic, c'est que le matériau est également en résonance à ce stade, ce qui signifie que sa perte est maximale. En entendant parler de la bande plate dans le graphène bicouche torsadé, Alù et ses collègues se sont demandé si l'empilement de deux métasurfaces de nanoruban de graphène pouvait fournir un certain contrôle de la torsion sur ces bandes plates photoniques.

Photonique tordue

Alù et ses collègues ont étudié la fonction de Green des grilles de nanoruban de graphène bicouche pour évaluer le comportement optique. Ils ont découvert que le couple de deux couches donne un mode plasmon avec deux énergies pour l'ensemble du système bicouche. En outre, la fréquence de la bande plate se décale de sorte qu'un maximum d'interactions lumière-matière soit possible lorsque les matériaux ne sont pas en résonance. Finalement, les transitions pour leurs systèmes se produisent autour de 45° - beaucoup plus grandes et plus accessibles expérimentalement que l'angle magique dans les systèmes bicouches de graphène, reflétant la plus grande périodicité de la grille nanoruban. Étant donné que l'angle dépend de la fréquence, il est possible de balayer les fréquences pour trouver le point idéal exact du système.

En fait, la "canalisation" - la propagation de la lumière sans diffraction qui se produit au point de bande plate - a déjà été observée dans un faisceau envoyé à travers deux réseaux optiques de lumière à des angles de torsion spécifiques. Les métasurfaces décrites par Alù et ses collègues fournissent un autre système photonique pour explorer les effets de torsion qui peuvent être plus faciles à produire que le graphène bicouche à angle magique, ainsi que de mettre en évidence une nouvelle physique. "Tome, la partie la plus excitante est la beauté de la façon dont vous pouvez prédire cela à partir de formules purement géométriques, " dit Alu.

En outre, les effets photoniques à bande plate peuvent s'avérer utiles pour des applications, notamment l'optique quantique et l'imagerie. « Les gens se demandent souvent : comment améliorer l'interaction des émetteurs de lumière confinés avec la matière ? et comment acheminer l'émission améliorée sans diffraction ?" dit Alù. "C'est une plate-forme idéale, c'est une large bande et vous pouvez régler la fréquence."

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