‘Twistronics สำหรับโฟตอน’ นำลำแสงที่ปราศจากการเลี้ยวเบนที่ปรับได้

'Twistronics สำหรับโฟตอน' นำลำแสงที่ปราศจากการเลี้ยวเบนที่ปรับได้

การเลี้ยวเบนของแสงเมื่อเคลื่อนที่ไปรอบๆ วัตถุ หากไม่เป็นเช่นนั้น การออกแบบอุปกรณ์ควอนตัมออปติกและการใช้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงเพื่อแก้ไขภาพระดับนาโนจะง่ายขึ้นมาก ขณะนี้การทำงานร่วมกันระหว่างประเทศของนักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าการแพร่กระจายและปราศจากการเลี้ยวเบนเป็นไปได้ด้วยความละเอียดที่สูงกว่าขีดจำกัดการเลี้ยวเบนมากกว่าลำดับความสำคัญ

ในชั้นบิดเบี้ยว

ของโมลิบดีนัมไตรออกไซด์ 2 มิติ เอฟเฟกต์โฟโตนิกเหล่านี้สะท้อนพฤติกรรมของอิเล็กตรอนในกราฟีนสองชั้นที่บิดเบี้ยว ซึ่งรายงานของอิเล็กตรอนที่เดินทางโดยไม่มีการต้านทานได้เริ่มเปิดสาขาใหม่ของการวิจัยวัสดุ 2 มิติที่รู้จักกันในปี 2018  และเพื่อนร่วมงานสังเกตว่าอิเล็กตรอนในกราฟีน

อันเก่าแก่ ซึ่งเป็นชั้นของตาข่ายอะตอมคาร์บอนรูปรังผึ้ง สามารถสร้างเป็นตัวนำยิ่งยวดหรืออยู่ในสถานะฉนวน Mott (ขึ้นอยู่กับว่ามีการใช้สนามไฟฟ้าหรือไม่) เมื่อชั้นหนึ่งถูกบิดโดย “มุมมหัศจรรย์” เมื่อเทียบกับอีกชั้นหนึ่ง หลังจากการประกาศนี้ รายงานเกี่ยวกับระบบ 2D ที่บิดเบี้ยวอื่นๆ ก็มีจำนวนเพิ่มขึ้น 

แต่ในขณะที่นักวิทยาศาสตร์ที่หลงใหลในการแสดงตลกของอิเล็กตรอนที่อยากรู้อยากเห็นกำลังไตร่ตรองว่าอิเล็กตรอนที่วิ่งผ่านกราฟีนแบบมุมมหัศจรรย์สามารถจับคู่กันอย่างมากพอที่จะสร้างคู่คูเปอร์ที่อยู่เบื้องหลังความนำยิ่งยวดได้อย่างไร พฤติกรรมที่เรียกว่า “แถบแบน” นี้ยังกระตุ้นแนวคิดใหม่

สำหรับนักวิจัยด้านโฟโตนิกส์ แถบแบนโทนิค และผู้เขียนอาวุโสของรายงานฉบับล่าสุด (ซึ่งเผยแพร่ในNature )ตั้งข้อสังเกตว่าในกราฟีน บิดมุมมหัศจรรย์ คำว่า “แถบแบน” หมายถึงสถานะที่พลังงานอิเล็กตรอนแบน เมื่อโมเมนตัมเพิ่มขึ้น แทนที่จะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงด้วยโมเมนตัม 

(เหมือนในกราฟีนชั้นเดียว) พฤติกรรมนี้เกิดขึ้นเนื่องจากเมื่อชั้นคาร์บอนแลตทิซทั้งสองบิดเบี้ยวจนไม่ประสานกัน อิเล็กตรอนที่ลอดผ่านระหว่างชั้นทั้งสองจะพบกับสนามศักยภาพที่มีการแปรผันตามคาบใหม่ เช่น การเต้นของเสียงดนตรีสองเสียง แน่นอนว่าโฟโตนิกส์เกี่ยวข้องกับแสง

มากกว่า

การขนส่งอิเล็กตรอน อย่างไรก็ตาม Alù และผู้ร่วมงานของเขาตระหนักว่าพฤติกรรมของแถบแบนที่คล้ายกันสามารถเกิดขึ้นได้ใน “เมตาพื้นผิว” ของโฟโตนิก นั่นคือ วัสดุที่มีองค์ประกอบและโครงสร้างได้รับการออกแบบมาเพื่อรองรับเอฟเฟกต์โฟโตนิกที่ผิดปกติที่พื้นผิวของพวกมัน

โดยปกติแล้ว แสงจะเล็ดลอดออกมาจากจุดกำเนิดในแนวหน้าคลื่นที่เป็นวงกลม เช่น วงแหวนรอบก้อนกรวดที่ตกลงไปในบ่อน้ำ ใน metasurfaces ได้รับการออกแบบให้มีการตอบสนองโทนิคแบบแอนไอโซทรอปิก อย่างไรก็ตาม วงแหวนเหล่านี้จะถูกบีบให้เป็นวงรี ที่จุดสูงสุด วงรีเหล่านี้สามารถมีรูปร่าง

ไฮเพอร์โบลิกได้ เช่น วิถีโคจรของจรวดที่ไปถึงความเร็วหลุดพ้น แถบแบนโทนิคที่ Alù และเพื่อนร่วมงานสังเกตเห็นนั้นปรากฏขึ้นที่การเปลี่ยนแปลงระหว่างการตอบสนองแบบวงรีและแบบไฮเปอร์โบลิกต่อแสง ซึ่งเกิดขึ้นที่ความถี่เรโซแนนซ์ของเมตาพื้นผิวที่ทำจากกริดของกราฟีนนาโนริบบอน

ด้วยแรงบันดาลใจจากการพัฒนาของทวิสต์ทรอนิกส์ นักวิจัยจึงตัดสินใจตรวจสอบว่าพฤติกรรมโทนิคแฟลตแบนด์ในเมตาพื้นผิวสองชั้นจะเปลี่ยนไปหรือไม่ หากเมตาพื้นผิวบิดเบี้ยวสัมพันธ์กัน พวกเขาคำนวณว่าสามารถเลื่อนแถบแบนออกจากความถี่เรโซแนนซ์ได้ง่ายๆ โดยการควบคุมมุมสัมพัทธ์

ระหว่างพื้นผิวทั้งสอง นี่จะเป็นโบนัสก้อนโต เพราะเมตาเซอร์เฟซจะดูดซับแสงอย่างมากที่ความถี่เรโซแนนซ์ ซึ่งจะทำให้ยากต่อการใช้ประโยชน์จากเอฟเฟกต์แบนด์แบน อย่างไรก็ตาม เพื่อให้เอฟเฟกต์นี้ทำงานได้โดยไม่ต้องทนทุกข์ทรมานจาก  ขนาดใหญ่ พวกเขาพบว่าจำเป็นต้องทำให้ 

ของพวกมันมีระยะห่างที่หนาแน่นมาก โดยมีคุณสมบัติที่มีขนาดเล็กอย่างห้ามปรามสำหรับแม้แต่เทคนิคการผลิตนาโนที่ซับซ้อนที่สุด แถบแบนตามธรรมชาติข้อกำหนดในการผลิตชิ้นส่วนนาโนที่เข้มงวดเหล่านี้ก่อให้เกิดความท้าทายอย่างมากต่อความพยายามของนักวิจัยในการตรวจสอบผลการทดลอง 

ความก้าวหน้า

ดังกล่าวมาพร้อมกับรายงานว่าวัสดุ 2 มิติตามธรรมชาติ (นั่นคือไม่มีโครงสร้าง) ที่รู้จักกันในชื่อแสดงพฤติกรรมการกระจายตัวที่ผิดปกติในอนุภาคควอซิพัทเทอร์ที่เรียกว่า โฟนอน-โพลาริตอน ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อโฟตอนที่ตกกระทบและการสั่นสะเทือนของ ตาข่ายของวัสดุสั่นพร้อมเพรียงกัน

 “น่าสนใจ MoO 3 รองรับการแพร่กระจายของโพลาไรตันแบบไฮเปอร์โบลิกในระนาบโดยธรรมชาติ ซึ่งเป็นสิ่งที่เราต้องการเพื่อให้แนวคิดของเราทำงาน โดยไม่ต้องมีข้อกำหนดที่ซับซ้อน ในการประดิษฐ์” เขาและผู้ร่วมงานของเขาใช้ 2D α-MoO 3 สองชั้น หมุนเข้าหากันและใช้ปลายโลหะระดับนาโน

เพื่อกระตุ้นโฟนอน-โพลาริตอน จากนั้นพวกเขาใช้ทิปแบบเดียวกับหัววัดกล้องจุลทรรศน์ออปติคอลสแกนระยะใกล้ (SNOM) ซึ่งวัดระยะใกล้แบบไม่แพร่กระจาย เพื่อให้ได้ภาพโพลาริตอนแบบจำกัดการเลี้ยวเบนการทดลองเหล่านี้เผยให้เห็นการมีอยู่ของแถบแบนที่สำคัญทั้งหมดที่การบิดมุมมหัศจรรย์

ของเลเยอร์ α-MoO 3 ทั้งสอง ชั้น โดยที่โฟนอน-โพลาริตอนจะแพร่กระจายเป็นรังสีโดยไม่มีการเลี้ยวเบน ในขณะที่การเลี้ยวเบนจำกัดความละเอียดของการกระจายแสงให้เหลือประมาณครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น นักวิจัยได้โอเวอร์คล็อกลำแสงที่มีความกว้างเต็มความกว้างครึ่งหนึ่งใกล้กับจุดบกพร่อง

ที่ 1 ใน 40 ของความยาวคลื่นพื้นที่ว่าง ความยาวการสลายตัวของรังสีก็เกือบแปดเท่าของความยาวการสลายตัวของโฟนอน-โพลาริตอนที่เรโซแนนซ์แถบแบนในชั้นเดียวของ α- MoO 3 ผลกระทบถูกสังเกตได้แม้ว่าความหนาของชั้นจะแตกต่างกัน ซึ่งบ่งชี้ว่าพวกมันไม่ถูกรบกวนได้ง่าย ซึ่งเป็นความทนทานตามแบบฉบับของปรากฏการณ์ทอพอโลยี

credit : เว็บแท้ / ดัมมี่ออนไลน์