Une équipe de recherche dirigée par des scientifiques du Advanced Science Research Center du Graduate Center, CUNY (CUNY ASRC), en collaboration avec l'Université nationale de Singapour, Université du Texas à Austin et Université Monash, a utilisé des concepts de "twistronics" (la science de la superposition et de la torsion de matériaux bidimensionnels pour contrôler leurs propriétés électriques) pour manipuler le flux de lumière de manière extrême. Les résultats, publié dans la revue La nature , tenir la promesse d'avancées à saute-mouton dans une variété de technologies basées sur la lumière, y compris les dispositifs de nano-imagerie ; grande vitesse, ordinateurs optiques à faible consommation d'énergie; et biocapteurs.

L'équipe s'est inspirée de la récente découverte de la supraconductivité dans une paire de couches de graphène empilées qui ont été tournées à "l'angle de torsion magique" de 1,1 degrés. Dans cette configuration, les électrons circulent sans résistance. Séparément, chaque couche de graphène ne présente aucune propriété électrique particulière. La découverte a montré comment le contrôle minutieux des symétries de rotation peut dévoiler des réponses matérielles inattendues.

L'équipe de recherche a découvert qu'un principe analogue peut être appliqué pour manipuler la lumière de manière très inhabituelle. À un angle de rotation spécifique entre deux couches ultrafines de trioxyde de molybdène, les chercheurs ont pu empêcher la diffraction optique et permettre une propagation robuste de la lumière dans un faisceau étroitement focalisé aux longueurs d'onde souhaitées.

Typiquement, la lumière rayonnée par un petit émetteur placé sur une surface plane se propage en cercles tout comme les ondes excitées par une pierre qui tombe dans un étang. Dans leurs expériences, les chercheurs ont empilé deux fines feuilles de trioxyde de molybdène, un matériau généralement utilisé dans les processus chimiques, et ont fait pivoter l'une des couches par rapport à l'autre. Lorsque les matériaux ont été excités par un petit émetteur optique, ils ont observé une émission de lumière largement contrôlable sur la surface à mesure que l'angle de rotation variait. En particulier, ils ont montré qu'à l'angle de torsion magique photonique la bicouche configurée supporte robuste, propagation de la lumière sans diffraction dans des faisceaux de canaux étroitement focalisés sur une large gamme de longueurs d'onde.

"Alors que les photons - les quanta de lumière - ont des propriétés physiques très différentes de celles des électrons, nous avons été intrigués par la découverte émergente de la twistronique, et se sont demandé si les matériaux bidimensionnels torsadés pouvaient également offrir des propriétés de transport inhabituelles pour la lumière, bénéficier des technologies basées sur les photons, " a déclaré Andrea Alù, directeur fondateur de la Photonics Initiative du CUNY ASRC et professeur Einstein de physique au Graduate Center. "Pour dévoiler ce phénomène, nous avons utilisé de fines couches de trioxyde de molybdène. En empilant deux de ces couches l'une sur l'autre et en contrôlant leur rotation relative, nous avons observé un contrôle spectaculaire des propriétés de guidage de la lumière. A l'angle magique photonique, la lumière ne diffracte pas, et il se propage très confiné le long des lignes droites. Il s'agit d'une caractéristique idéale pour les nanosciences et les technologies photoniques."

"Notre découverte était basée sur un matériau et une gamme de longueurs d'onde assez spécifiques, mais avec la nanofabrication avancée, nous pouvons modéliser de nombreuses autres plates-formes matérielles pour reproduire ces caractéristiques optiques inhabituelles sur une large gamme de longueurs d'onde lumineuses, " a déclaré Guangwei Hu, étudiant diplômé de l'Université nationale de Singapour (NUS), qui est le premier auteur de l'étude et chercheur invité à long terme avec le groupe d'Alù. "Notre étude montre que la twistronique pour les photons peut ouvrir des opportunités vraiment passionnantes pour les technologies basées sur la lumière, et nous sommes ravis de continuer à explorer ces opportunités, " a déclaré le professeur C.W. Qiu, Co-conseiller de M. Hu à NUS.