光子超表面为双旋翼飞机提供了一个新的场所

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光子超表面为双旋翼飞机提供了一个新的场所

具有低损耗的量子光学,自旋电子学和无衍射成像等技术可能会受益于最近扭曲的双层光子结构中的预测效应。这项工作的灵感来自于凝聚态研究的新兴领域-“双电子学”,其中通过控制二维材料层之间的扭曲可以极大地改变电子行为。

当Pablo Jarillo-Herrero和他的小组宣布在超导状态和Mott绝缘状态之间调节电子性能的观察结果时,不仅与石墨烯2D材料紧密合作的那些研究人员感到兴奋,而且还有许多其他领域。自然,并非所有研究团体都希望在他们研究的系统中找到相关现象。

纽约城市大学(CUNY)爱因斯坦教授安德里亚·阿鲁(AndreaAlù)解释说:“没有理由认为这会发生在光子学中-这种影响源于相关的电子,而我们却与光子一起工作。” 尽管如此,在最近的《Nano Letters》论文中,他和纽约市立大学纽约分校,新加坡国立大学和德克萨斯大学奥斯汀分校的同事们报告了扭曲时光子行为变化的理论预测,这在很多方面都类似于电子行为的变化。在双层石墨烯中观察到。

平带

当您将一个周期性网格相对于另一个网格扭曲时,会出现新的“莫尔”图案,使您的眼睛感到头晕。类似地,将蜂窝状石墨烯原子晶格的一层相对于另一层扭曲会产生具有扭曲相关特性的莫尔超晶格。周期性势场的变化会对电子的运动产生巨大影响,从而影响能级或能带随电子动量的变化。在1.1°的“魔角”(实验中很难达到)时,该斜率完全变平,与单层石墨烯中随动量变化的能量陡峭变化形成鲜明对比。听到这些“平坦带”的消息后,Alù的耳朵被刺破了,因为他们注意到了他们正在研究的超表面系统中的光子平坦带。

在超材料中,材料的成分和结构可以赋予它自然界中不存在的光学特性,例如负折射率或极不对称的“双曲线”光学响应。通常,从点光源发出的光像环落在池塘中的鹅卵石的波浪一样,成环状向外波纹。但是,在设计的超材料中,一个方向的光学响应与垂直方向不同,环变成了椭圆形。

将这种不对称性发挥到极致,波浪根本不再形成闭环,而是沿着双曲线像火箭一样以逃逸速度起飞。在超材料中,这种效果可能会非常诱人,因为超材料往往会非常有损,因此反而很少有光到达非常远的地方。但是,超表面会产生相同的效果,但是在表面上,您可以真正开始利用这些双曲线光学响应来增强光-物质的相互作用。

将石墨烯切成长条也会影响其行为,2015年,Alù和他的小组表明,石墨烯纳米带可以表现为一种超表面。发光在石墨烯纳米带上的光响应于入射电磁场(“等离激元”)而发出大量一致振动的电子。更有趣的是,在周期性的石墨烯纳米带格栅中,这些等离激元是双曲线的。

扭曲的双层石墨烯中的扁平带会与我们产生共振的原因是,如果您采用石墨烯纳米带表面,则可以在很宽的频率范围内进行双曲线传播,但在某一点上它会变成椭圆形,即有一个平坦的光带, ”阿卢说。

光子平坦带意味着光传播时不会发生衍射,并且光物质相互作用会最大化。问题在于材料在这一点上也处于共振状态,这意味着其损失最大。听说过扭曲双层石墨烯中的平坦带Alù及其同事想知道,堆叠两个石墨烯纳米带超表面是否可能对这些光子平坦带提供某种扭曲控制。

扭曲的光子学

Alù和他的同事研究了双层石墨烯纳米带格栅的Green功能,以评估其光学性能。他们发现,两层耦合为整个双层系统提供了一种等离子体激元模式和两种能量。此外,平坦带的频率会发生变化,从而使材料不处于共振状态时,最大程度的光物质相互作用成为可能。最后,其系统的过渡发生在45°左右-比石墨烯双层系统中的魔角大得多,并且在实验上更容易接近,这反映了纳米带格栅的更大周期性。由于角度与频率有关,因此可以扫过频率以找到系统的准确最佳点。

实际上,已经在通过两个光学光学晶格以特定的扭曲角发送的光束中观察到“渠化”(在平坦带点发生的光的无衍射传播)。Alù及其同事描述的超颖表面提供了进一步的光子学系统,用于探索扭曲效应,这种扭曲效应可能比魔术角双层石墨烯更容易产生,并且突显了一些新的物理学。“对我来说,最令人兴奋的部分是如何从纯粹的几何公式进行预测的妙处,”Alù说。

另外,光子平坦带效应可能被证明对应用特别有用,特别是量子光学和成像。“人们经常问-我们如何增强受限发光体与物质的相互作用,以及如何路由增强的发射而无衍射?” 阿鲁说。“这是一个理想的平台-它是宽带的,您可以调谐频率。”


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