Die verbotene Ausbreitung hyperbolischer Phononpolaritonen und Anwendungen im Nahfeld-Energietransport

Ein neuer Veröffentlichung In Optoelektronische Wissenschaft diskutiert die verbotene Ausbreitung hyperbolischer Phononpolaritonen und Anwendungen im Nahfeld-Energietransport.

Die Manipulation von Photonen im Nanomaßstab zur Entwicklung integrierter und miniaturisierter optoelektronischer Geräte sowie photonischer Chips ist ein wichtiges Ziel der Nanophotonik-Gemeinschaft. Unter ihnen haben Phonon-Polaritonen, die von zweidimensionalen geschichteten van der Waals-Materialien (vdW) unterstützt werden, die in den letzten Jahren aufgetaucht sind, aufgrund ihrer ultralangen Lebensdauer, ultraniedrigen Verluste und starken Einschlussfähigkeit viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen und sich in den Bereichen Subwellenlängenbildgebung, anomale Brechung, Superlinseneffekt, Wärmemanagement und mehr als vielversprechend erwiesen.

Es entsteht ein dynamisches Forschungsfeld, das sich mit dem Durchbrechen der Beugungsgrenze der konventionellen Optik in Form von Polaritonen und der Manipulation der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie befasst.

Abstimmbare Phonon-Polaritonen sind die Grundlage für eine verbesserte Manipulation photonischer Geräte. Derzeit verfügbare Abstimmstrategien für Phonon-Polaritonen beschränken sich meist auf die Konstruktion nanostrukturierter Strukturen auf dem vdW-Material selbst, wie etwa subwellenlängenperiodische Array-Strukturen (wie Gitter) oder verdrehte mehrschichtige Strukturen zur Erzeugung eines photonischen magischen Winkels, sowie auf die elektromagnetisch abstimmbare Konstruktion von vdW-Heteroübergängen auf Graphenbasis, bei denen die Nanostrukturen die Verluste erhöhen und die Verdrehung die Anwendung von einschichtigen Materialien begrenzt.

Die Erforschung weiterer Modulationsmethoden ist wichtig, um die Anregung und Ausbreitung von Phonon-Polaritonen zu manipulieren. Darüber hinaus ist es von großem praktischen Wert, die Auswirkungen der Kopplung von Phonon-Polaritonen auf den thermischen Energietransport im Nahfeld zu untersuchen.

Die Autoren der neuen Studie schlagen eine Strategie vor, um die Ausbreitung von Phonon-Polaritonen in vdW-Material (Molybdäntrioxid, α-MoO3) mithilfe des Substrats zu steuern, sodass die Ausbreitungsrichtung hyperbolischer Phonon-Polaritonen um 90° neu ausgerichtet werden kann, um die verbotene Ausbreitung zu erreichen. Gleichzeitig wird die Rolle der substratabhängigen Phonon-Polaritonen-Kopplung bei der Nahfeld-Wärmestrahlung beschrieben und der Einfluss der Korrelation zwischen Luftspaltbreite und Dicke der α-MoO3-Platte auf die Strahlungswärmeübertragung untersucht.

Basierend auf der Herleitung der Dispersionsgleichung stellen die Teammitglieder theoretisch die Beziehung zwischen der Ausbreitungsrichtung hyperbolischer Phonon-Polaritonen und der dielektrischen Funktion des Substrats her. Diese zeigt, dass sich die hyperbolischen Phonon-Polaritonen nicht entlang der x- und y-Achse ausbreiten dürfen, wenn kein Substrat vorhanden ist oder der Realteil der dielektrischen Funktion des Substrats positiv ist.

Wenn dagegen der Realteil der dielektrischen Funktion des Substrats negativ ist und sein Absolutwert nicht zu groß ist, wie etwa bei SiC, wird die Ausbreitungsrichtung um 90° neu ausgerichtet und kann sich dann in die verbotene Richtung ausbreiten. Bei metallischen Substraten wie Au kann der Grundmodus mit l=0 angeregt werden, im Vergleich zur schwebenden Konfiguration, bei der der niedrigste Modus l=1 ist.

Substratabhängige Polaritonen werden auf die Wärmeübertragung durch Strahlung angewendet, um die Wirkung von SiC- und Au-Substraten auf die NFRHT zwischen zwei α-MoO3-Platten zu untersuchen und mit dem Fall ohne Substrat zu vergleichen. Es wurde festgestellt, dass die Frage, ob das SiC-Substrat die Strahlung verstärkt oder unterdrückt, von der relativen Amplitude der Dicke der α-MoO3-Platte und der Breite des Luftspalts abhängt.

Wenn die Vakuumbreite variiert, kann der gesamte Bereich basierend auf der Wirkung von SiC von links nach rechts in einen nahezu inaktiven Bereich, einen Hemmungsbereich und einen Verstärkungsbereich unterteilt werden. Mit anderen Worten, bei einer bestimmten Dicke ist die Wirksamkeit umso geringer, je kleiner die Abstandsbreite ist. Dies liegt daran, dass sich der Wellenvektorbereich der gegenseitigen Kopplung der angeregten Polaritonen der Platte bei einem räumlichen Abstand, der kleiner als die Dicke der Platte ist, nicht wesentlich von dem des unendlichen Volumens unterscheidet, was zu einer Platte führt, die zu diesem Zeitpunkt gleichwertig als Volumenmaterial behandelt werden kann, und daher ist das Substrat für die Energieübertragung nicht wirksam.