Nature Materials: Новаторские нанополости раздвигают горизонты в удержании света

Команда европейских и израильских физиков представила новый тип поляритонных полостей и пересмотрела границы ограничения света, сделав значительный скачок вперед в квантовой нанофотонике.

Эта новаторская работа, подробно описанная в исследовании, опубликованном сегодня в журнале Nature Materials, демонстрирует нетрадиционный метод удержания фотонов, преодолевая традиционные ограничения в нанофотонике.

Физики уже давно ищут способы заставить фотоны входить во все более малые объемы. Естественным масштабом длины фотона является длина волны, и когда фотон помещается в полость, размер которой намного меньше длины волны, он становится более «концентрированным». Такая концентрация усиливает взаимодействие с электронами, усиливая квантовые процессы внутри полости. Однако, несмотря на значительные успехи в удержании света в глубоких субволновых объемах, эффект диссипации (оптического поглощения) остается главным препятствием. Фотоны в нанополостях поглощаются очень быстро, гораздо быстрее длины волны, и эта диссипация ограничивает применимость нанополостей для некоторых из самых интересных квантовых приложений.

Исследовательская группа профессора Франка Коппенса из ICFO в Барселоне (Испания) решила эту проблему, создав нанополости с беспрецедентным сочетанием субволнового объема и увеличенного времени жизни. Эти нанополости площадью менее 100x100 нм² и толщиной всего 3 нм удерживают свет в течение значительно более длительного времени. Ключ заключается в использовании гиперболических фонон-поляритонов, уникальных электромагнитных возбуждений, возникающих в двумерном материале, образующем полость.

В отличие от предыдущих исследований полостей на основе фононных поляритонов, в данной работе используется новый и непрямой механизм удержания. Нанополости создаются путем сверления наноразмерных отверстий в золотой подложке с предельной (2-3 нанометра) точностью с помощью микроскопа He со сфокусированным ионным пучком. После создания отверстий поверх них наносится гексагональный нитрид бора (ГБН), двумерный материал. ГБН поддерживает электромагнитные возбуждения, называемые гиперболически-фотонными поляритонами, которые похожи на обычный свет, за исключением того, что они могут быть ограничены чрезвычайно малыми объемами. Когда поляритоны проходят над краем металла, они испытывают сильное отражение от него, что позволяет их ограничить. Таким образом, этот метод позволяет избежать непосредственного формирования ГБН и сохранить его первозданное качество, обеспечивая высокую концентрацию и долговечность фотонов в полости.

Это открытие началось со случайного наблюдения, сделанного в ходе другого проекта при использовании оптического микроскопа ближнего поля для сканирования двумерных структур материалов. Микроскоп ближнего поля позволяет возбуждать и измерять поляритоны в среднем инфракрасном диапазоне спектра, и исследователи заметили необычно сильное отражение этих поляритонов от металлического края. Это неожиданное наблюдение послужило толчком к более глубокому исследованию, которое привело к пониманию уникального механизма удержания и его связи с формированием нанорешетки.

Однако после изготовления и измерения полостей команду ждал огромный сюрприз.

Экспериментальные измерения обычно оказываются хуже, чем предполагала теория, но в данном случае мы обнаружили, что эксперименты превзошли оптимистичные упрощенные теоретические предсказания, — говорит первый автор работы, доктор Ханан Херциг Шейнфукс, сотрудник физического факультета Бар-Иланского университета.

Этот неожиданный успех открывает двери для новых применений и достижений в квантовой фотонике, расширяя границы того, что мы считали возможным.

06.02.2024