Aunque los polaritones de fonones hiperbólicos se han estudiado con mapeo de campo cercano en cristales de van der Waals, la complejidad de la señal de campo cercano y la pérdida de señal debido a la naturaleza del sustrato dificultan la medición precisa de la pérdida de polaritones.
Estudio: Investigación de campo cercano de polaritones imagephonon en nitruro de boro hexagonal en cristales de oro. Crédito: Kateryna Kon/Shutterstock.com
Un artículo publicado en Science Advances mostró que para determinar la constante de propagación compleja del polaritón en los cristales de van der Waals, sería más práctico usar un sustrato atómicamente delgado y de baja pérdida con hojuelas de oro monocristalino. Aquí, se usó nitruro de boro hexagonal (hBN) como ejemplo para medir la pérdida de propagación de polaritones de imagen-fonón.
Esta medida mostró que la longitud de propagación normalizada presentaba una dependencia espectral parabólica. Además, los polaritones de fonones de imagen mostraron una longitud de propagación hasta dos veces más larga con una compresión 2,4 veces mayor que sus contrapartes dieléctricas. En consecuencia, las escamas de oro monocristalino sirvieron como una plataforma nanofotónica independiente para explorar los modos de obtención de imágenes del material de baja dimensión.
Medición de la dispersión de polaritón
La medición de la dispersión del polaritón en materiales de van der Waals de pequeñas dimensiones implica el uso de un microscopio óptico de barrido de campo cercano (s-SNOM). En el s-SNOM, la excitación y detección del polaritón se realizan utilizando la misma nanopunta. Aquí, la reflexión modal del borde del material ayuda a captar el patrón de interferencia de campo cercano.
Además, en el nitruro de boro hexagonal, las ondas polaritónicas fonónicas hiperbólicas generadas por el haz de excitación del s-SNOM en el borde de la placa de nitruro de boro hexagonal contribuyeron a la señal de campo cercano. Además, la simplificación del sondeo de campo cercano hiperbólico de fonón-polaritón es posible al facilitar la generación de polaritones a partir de bordes metálicos o nanopartículas metálicas con secciones transversales de dispersión más grandes.
En el caso del lanzamiento de polaritón, el patrón de interferencia de campo cercano obtenido se debe al campo de excitación casi uniforme de s-SNOM y la superposición de los campos de polaritón.
Por otro lado, la forma aleatoria de las nanopartículas de oro y su pequeño tamaño dieron como resultado un frente de onda divergente de la forma aleatoria. Por lo tanto, un frente de onda no plano en combinación con una señal mixta de campo cercano de origen heterogéneo complica el análisis de campo cercano y requiere modelos analíticos complejos.
Informes anteriores mencionaron el desarrollo de nuevas especies de polaritones de baja dimensión soportados por cristales de van der Waals y colocados cerca de los polaritones de imagen (metal altamente conductor). Aquí, los modos de imagen estaban limitados a volúmenes a escala nanométrica debido a la falta de un corte controlado por geometría.
El nitruro de boro hexagonal exhibe una combinación distinta de propiedades ópticas que permiten nuevas funcionalidades nanofotónicas. En el IR medio, el nitruro de boro hexagonal aparece como un material hiperbólico natural donde las opciones de material fotónico son escasas. Además, el nitruro de boro hexagonal alberga defectos que pueden manipularse para obtener una emisión de fotón único a temperatura ambiente; muestra fuertes no linealidades de segundo orden con implicaciones de gran alcance para dispositivos prácticos.
Picture Polaritones de fonones en nitruro de boro hexagonal sobre cristales de oro
El presente trabajo utilizó cristales de oro de área superficial alta para sondear los polaritones de fonones de imagen hiperbólica (HIP) en placas hexagonales de nitruro de boro mediante sondeo de campo cercano. En este caso, se utilizaron largos bordes de oro cristalino de unas 20 micras para acoplar el frente de onda plano del HIP, lo que simplificó el análisis de campo cercano.
Los efectos combinados de la superficie atómicamente delgada de oro monocristalino con una rugosidad de raíz cuadrática media (RMS) de 1 Armstrong y la estructura cristalina del nitruro de boro hexagonal eliminaron la dispersión de los polaritones en propagación que generalmente se debe a la rugosidad. Debido a su alta sensibilidad, las escamas de oro monocristalino pueden servir como sustratos ultraplanos para polaritones de imágenes altamente comprimidas.
Además, las propiedades físicas de los cristales de oro se utilizaron para medir la constante de propagación compleja del HIP. Las pérdidas de propagación del HIP han sido ampliamente estudiadas en el presente trabajo y los datos obtenidos concuerdan con las pérdidas de propagación calculadas en un sistema sin dispersión y con una desviación media inferior al 4%.
Un modo de imagen de segundo orden con un impulso de 5,9 × 105 Se detectó un centímetro inverso con propagación sin dispersión en un cristal de nitruro de boro hexagonal. Además, un momento tan alto solo se ha observado en nitruro de boro hexagonal de baja pérdida y enriquecido isotópicamente. Finalmente, los estudios de mapeo de campo cercano mostraron que la longitud de propagación normalizada era más larga y el confinamiento de campo era más fuerte en el modo de imagen fundamental que en el nitruro de boro hexagonal sobre un sustrato dieléctrico.
Conclusión
En resumen, el presente trabajo demostró la importancia de las escamas de oro monocristalino en el sondeo preciso de campo cercano de Image Polariton con nitruro de boro hexagonal, en el que los largos bordes de oro cristalino generaron modos de frente de onda planos que se propagan en un sustrato ultraplano de baja pérdida.
La medición de la constante de propagación del complejo HIP en nitruro de boro hexagonal dentro de la segunda banda del efecto de radiación residual mostró que los datos experimentales siguieron la predicción analítica para la función dieléctrica del nitruro de boro hexagonal, que se recuperó de forma independiente.
En comparación con los polaritones de fonones hiperbólicos (HPP), los modos HIP en nitruro de boro hexagonal mostraron un confinamiento de campo más grande y una propagación normalizada más larga, similar al comportamiento de los plasmones de grafeno de imagen. Por lo tanto, esta extraordinaria propiedad permite los efectos combinados de la interacción luz-materia y los fenómenos ondulatorios dentro de una plataforma nanofotónica de nitruro de boro hexagonal.
Relación
Menabde SG, Boroviks S, Ahn J, Heiden JT, Watanabe K, Taniguchi T, Low T wt al. (2022). Investigación de campo cercano de polaritones de imagen-fonón en nitruro de boro hexagonal en cristales de oro. avances científicos. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn0627
