Überwindung optischer Verluste in einem Polaritonsystem mit synthetischen komplexen Frequenzwellen

Ein gemeinsames Forschungsteam unter der gemeinsamen Leitung von Professor Shuang Zhang, dem Interimsleiter der Abteilung für Physik der Universität Hongkong (HKU), und Professor Qing DAI vom National Center for Nanoscience and Technology, China, hat eine Lösung dafür vorgestellt ein weit verbreitetes Thema im Bereich der Nanophotonik, der Untersuchung von Licht in extrem kleinem Maßstab.

Ihre Erkenntnisse, kürzlich veröffentlicht In Naturmaterialienschlagen einen Ansatz mit synthetischen komplexen Frequenzwellen (CFW) vor, um optische Verluste bei der Polaritonenausbreitung zu beheben.

Diese Erkenntnisse bieten praktische Lösungen, wie etwa effizientere lichtbasierte Geräte für eine schnellere und kompaktere Datenspeicherung und -verarbeitung in Geräten wie Computerchips und Datenspeichergeräten sowie eine verbesserte Genauigkeit bei Sensoren, Bildgebungstechniken und Sicherheitssystemen.

Oberflächenplasmonpolaritonen und Phononpolaritonen bieten Vorteile wie effiziente Energiespeicherung, lokale Feldverstärkung und hohe Empfindlichkeiten und profitieren von ihrer Fähigkeit, Licht auf kleine Skalen einzuschränken. Ihre praktischen Anwendungen werden jedoch durch das Problem des ohmschen Verlusts behindert, der bei der Wechselwirkung mit natürlichen Materialien zu Energieverlusten führt.

In den letzten drei Jahrzehnten hat diese Einschränkung den Fortschritt in der Nanophotonik für Sensorik, Superimaging und nanophotonische Schaltkreise behindert. Die Überwindung des ohmschen Verlusts würde die Geräteleistung erheblich verbessern und Fortschritte in der Sensortechnologie, der hochauflösenden Bildgebung und fortschrittlichen nanophotonischen Schaltkreisen ermöglichen.

Professor Shuang Zhang, korrespondierender Autor des Papiers, erklärte den Forschungsschwerpunkt: „Um die Herausforderung optischer Verluste in Schlüsselanwendungen anzugehen, haben wir eine praktische Lösung vorgeschlagen. Durch den Einsatz einer neuartigen synthetischen komplexen Wellenanregung können wir eine virtuelle Verstärkung erzielen und gegensteuern.“ der intrinsische Verlust des Polariton-Systems. Um diesen Ansatz zu validieren, haben wir ihn auf das Phonon-Polariton-Ausbreitungssystem angewendet und eine signifikante Verbesserung der Polariton-Ausbreitung beobachtet.“

„Wir haben unseren Ansatz demonstriert, indem wir Experimente mit Phonon-Polariton-Material wie hBN und MoO3 im optischen Frequenzbereich durchgeführt haben. Wie erwartet haben wir eine nahezu verlustfreie Ausbreitungsstrecke erhalten, die unseren theoretischen Vorhersagen entspricht“, fügte Dr. Fuxin Guan, der erste der Arbeit, hinzu Autor und Postdoktorand am Fachbereich Physik der HKU.

Mehrfrequenzansatz zur Überwindung optischer Verluste

Im Rahmen dieser Forschung entwickelte das Team einen neuartigen Mehrfrequenzansatz, um den Energieverlust bei der Polaritonenausbreitung anzugehen. Sie verwendeten einen speziellen Wellentyp namens „Wellen mit komplexer Frequenz“, um einen virtuellen Gewinn zu erzielen und den Verlust in einem optischen System zu kompensieren. Während eine reguläre Welle über die Zeit eine konstante Amplitude oder Intensität beibehält, weist eine komplexe Frequenzwelle gleichzeitig Oszillation und Verstärkung auf. Diese Eigenschaft ermöglicht eine umfassendere Darstellung des Wellenverhaltens und ermöglicht die Kompensation von Energieverlusten.

Während die Häufigkeit üblicherweise als reelle Zahl wahrgenommen wird, kann sie auch einen Imaginärteil haben. Dieser imaginäre Teil sagt uns, wie die Welle mit der Zeit entweder stärker oder schwächer wird. Wellen mit einer komplexen Frequenz, die einen negativen (positiven) Imaginärteil aufweisen, nehmen mit der Zeit ab (verstärken). Die direkte Durchführung unserer Messung unter Anregung komplexer Frequenzwellen in der Optik ist jedoch eine Herausforderung, da hierfür komplexe zeitgesteuerte Messungen erforderlich sind.

Um dieses Problem zu lösen, verwendeten die Forscher das mathematische Werkzeug Fourier-Transformation, um eine abgeschnittene komplexe Frequenzwelle (CFW) in mehrere Komponenten mit einzelnen Frequenzen zu zerlegen.

So wie man beim Kochen eine bestimmte Zutat benötigt, die schwer zu finden ist, haben die Forscher eine ähnliche Idee verfolgt. Sie zerlegten die komplexen Frequenzwellen in einfachere Komponenten, ähnlich wie die Verwendung von Ersatzzutaten in einem Rezept. Jede Komponente repräsentierte einen anderen Aspekt der Welle. Es ist, als würde man ein köstliches Gericht kreieren, indem man Ersatzzutaten verwendet, um den gewünschten Geschmack zu erhalten.

Indem sie diese Komponenten bei unterschiedlichen Frequenzen maßen und die Daten kombinierten, rekonstruierten sie das Verhalten des Systems, das von der komplexen Frequenzwelle beleuchtet wurde. Dies half ihnen, den Energieverlust zu verstehen und zu kompensieren. Dieser Ansatz vereinfacht die praktische Implementierung von CFWs in verschiedenen Anwendungen, einschließlich Polaritonausbreitung und Superimaging, erheblich.

Durch die Durchführung optischer Messungen bei verschiedenen realen Frequenzen in einem festen Intervall wird es möglich, die optische Reaktion des Systems bei einer komplexen Frequenz zu konstruieren. Dies wird erreicht, indem die optischen Reaktionen, die bei verschiedenen realen Frequenzen erhalten werden, mathematisch kombiniert werden.

Professor Qing Dai vom National Center for Nanoscience and Technology und ein weiterer korrespondierender Autor des Papiers erklärte, dass diese Arbeit eine praktische Lösung zur Lösung des seit langem bestehenden Problems des optischen Verlusts in der Nanophotonik darstelle.

Er betonte die Bedeutung der synthetisierten Methode mit komplexen Frequenzen und erklärte, dass sie problemlos auf verschiedene andere Anwendungen wie molekulare Sensorik und nanophotonische integrierte Schaltkreise angewendet werden könne. Er betonte weiter, dass „diese Methode bemerkenswert und universell anwendbar ist, da sie auch zur Behebung von Verlusten in anderen Wellensystemen, einschließlich Schallwellen, elastischen Wellen und Quantenwellen, eingesetzt werden kann, wodurch die Qualität der Bildgebung auf ein beispielloses Niveau gesteigert wird.“

Experimentelle Demonstration

Als Machbarkeitsnachweis begann das Team mit der Ausbreitung von Phononpolaritonen (PhPs) bei optischen Frequenzen von etwa 1.450 cm-1 unter Verwendung von hBN-Filmen. Zum Starten der 1D-PhPs wird eine lange Goldantenne verwendet, die auf dem hBN-Film platziert ist. Die Feldverteilungen der beiden realen Frequenzen und der beiden komplexen Frequenzen sind in Abb. 2a bzw. 2b dargestellt.

Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Ausbreitung bei den realen Frequenzen zwar stark gedämpft wird, das Polariton bei den komplexen Frequenzen jedoch während der Ausbreitung nahezu keinen Abfall erfährt.

Das Team wandte außerdem den komplexen Frequenzansatz an, um die komplizierteren Feldverteilungen zu untersuchen, die durch einen dünnen Film aus Van-der-Waals-Kristall α-MoO3 unterstützt werden, der stark anisotrop ist und natürliche hyperbolische Polaritonen in der Ebene unterstützt.

Eine Metallantenne als Anregungsquelle wird auf dem α-MoO3-Film platziert, wie in Abb. 3a gezeigt. Die Feldverteilungsvariation zeigt ein charakteristisches hyperbolisches Ausbreitungsverhalten mit einer konkaven Wellenfront (siehe Abb. 3b).

Mit zunehmender Frequenz nimmt die Wellenlänge bei stärkerer Feldeingrenzung ab und gleichzeitig wird die Ausbreitung gedämpfter. Alle diese realen Frequenzdiagramme werden entsprechend dem Verhältnis der komplexen Frequenzen kombiniert, um das komplexe Frequenzergebnis in Abb. 3c zu erhalten.

Das Team untersuchte schließlich das Interferenzverhalten von PhPs mithilfe des komplexen Frequenzansatzes. Auf dem MoO3-Film werden zwei kreisförmige Antennen mit unterschiedlichen Durchmessern hergestellt, um die Phononpolaritonen anzuregen, wie in Abb. 3d dargestellt.

Während die realen Frequenzdiagramme keine klaren Interferenzstreifen zeigen können, wie in Abb. 3e gezeigt, können die komplexen Frequenzdiagramme klarer Interferenzstreifen nach Kombination der Ergebnisse verschiedener realer Frequenzen synthetisiert werden, wie in Abb. 3f gezeigt.