Illustration de polaritons fantômes se propageant à partir d’une source ponctuelle sur une surface de calcite. Crédit : Weiliang Ma/HUST
Une équipe internationale a rapporté dans 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, le traitement du signal, la récupération d’énergie et d’autres technologies.
Ces dernières années, la nanophotonique aux fréquences infrarouges et térahertz est devenue importante pour les technologies hautement sensibles, ultracompactes et à faibles pertes pour le diagnostic biomoléculaire et chimique, les capteurs, les communications et d’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, tels que graphène, le nitrure de bore hexagonal et le 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, entravant 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, Huazhong University of Science and Technology (HUST), National University of Singapore (NUS) et National Center for Nanoscience and Technology (NCNST) a rapporté 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 polie, peut supporter des ondes de surface de polaritons fantômes qui présentent une impulsion complexe hors du plan totalement différente de tout polariton de surface observé à ce jour.
« La polaritonique est la science et la technologie permettant d’exploiter les interactions fortes de la lumière avec la matière, et elle a révolutionné les sciences optiques au cours des dernières années », a déclaré Andrea Alù, professeur Einstein de physique au Graduate Center et directeur fondateur de l’Initiative photonique au Centre de recherche scientifique avancée au 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 avec une quantité de mouvement complexe hors du plan. Et encore plus excitant, nous avons pu l’observer dans un cristal très commun. », déclare Guangwei Hu, co-premier auteur, boursier postdoctoral NUS et visiteur de longue durée à la CUNY.
«Ce type de polaritons peut être réglé via leur axe optique, introduisant une nouvelle façon de manipuler les polaritons, a déclaré Cheng-Wei Qiu, professeur titulaire de la chaire de 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.”
Référence : « Ghost hyperbolic surface polaritons in bulk anisotropic crystals » par Weiliang Ma, Guangwei Hu, Debo Hu, Runkun Chen, Tian Sun, Xinliang Zhang, Qing Dai, Ying Zeng, Andrea Alù, Cheng-Wei Qiu et Peining Li, 18 août 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03755-1
Les professeurs Debo Hu et Qing Dai du NCNS et Runkun Chen, Ph.D. et le professeur Xinliang Zhang de HUST ont également contribué de manière significative à ce travail.
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