Semicondutores atomicamente finos, como dissulfeto de tungstênio (WS2) estão emergindo como materiais essenciais para tecnologias fotônicas de próxima geração. Embora sejam apenas camadas únicas de átomos, eles podem hospedar excitons fortemente ligados, que são pares de elétrons e buracos que interagem fortemente com a luz. Esses materiais podem criar novas cores de luz por meio de efeitos ópticos não lineares, como a geração de segundo harmônico. Devido a essas propriedades, eles são promissores para aplicações em óptica quântica, detecção e fontes de luz compactas no chip. No entanto, a sua extrema magreza também representa um desafio. Com tão poucos materiais disponíveis, a luz tem interações limitadas, muitas vezes resultando em emissão deficiente e conversão de frequência ineficiente, a menos que o ambiente fotônico circundante seja cuidadosamente projetado.
Um estudo foi publicado Fotônica avançada Uma nova técnica para superar esta limitação apresenta não o material em si, mas o espaço abaixo dele. Neste método, uma única camada de WS2 Cavidades de ar em nanoescala, chamadas de vazios de Mie, são gravadas em um cristal de telureto de bismuto (Bi) de alto índice.2D3) esses pequenos vazios melhoram significativamente a emissão de luz e o sinal óptico não linear. Eles tornam possível observar diretamente os modos ópticos locais, fornecendo novos insights sobre como a luz se comporta em escalas muito pequenas.
Transformando o espaço vazio em ressonância de luz
Os nanorressonadores dielétricos tradicionais prendem a luz dentro de um material sólido como o silício. Embora eficaz em muitos casos, esse design mantém campos ópticos fortes longe de superfícies onde ficam materiais atomicamente finos. Torna-se menos eficiente quando o material absorve luz, o que enfraquece a ressonância e reduz a intensidade do campo.
Os vazios de Mie funcionam de maneira diferente. Em vez de reter a luz dentro de um sólido, eles a confinam a cavidades de ar em comprimentos de onda inferiores escavadas em um material com um índice de refração muito alto. A forte reflexão na fronteira dielétrica do ar mantém a luz se movendo dentro da cavidade. Como resultado, o campo de luz concentra-se na região do vento e próximo à superfície superior, exatamente onde o WS2 camada está localizada.
Este método de confinamento “invertido” oferece diversas vantagens. O campo aprimorado é diretamente acessível aos materiais de superfície, o comprimento de onda ressonante pode ser ajustado ajustando o formato da cavidade e o design também é eficaz em materiais que absorvem fortemente a luz. Bi2Te₃, que não é ideal para ressonadores convencionais, tem um bom desempenho nesta configuração baseada em vazio.
Projeto e construção de estrutura
Usando simulações eletromagnéticas detalhadas, os pesquisadores projetaram cavidades que suportam uma ressonância dipolar alinhada com as principais características de emissão do WS.2conhecido como A-exciton. Ajustando cuidadosamente o raio e a profundidade de cada cavidade, eles podem controlar tanto o comprimento de onda de ressonância quanto a posição vertical do modo óptico.
As cavidades foram criadas usando fresagem por feixe de íons focado em Bi espesso e mecanicamente esfoliado.2D3 Eles foram espaçados o suficiente para que os flocos atuassem como ressonadores individuais, em vez de interagirem uns com os outros. Um WS contínuo2 A monocamada foi então transferida através da superfície padronizada, cobrindo cavidades ressonantes, cavidades não ressonantes e regiões planas. Este projeto garantiu que quaisquer diferenças no comportamento óptico fossem devidas à geometria da cavidade e não a variações no material.
Medições de refletância óptica confirmaram que as cavidades se comportaram conforme esperado. Cavidades maiores causam uma mudança mais suave da ressonância em direção a comprimentos de onda mais longos, enquanto uma mudança na profundidade altera tanto a posição espectral quanto a posição vertical do modo óptico. É importante ressaltar que as ressonâncias permaneceram estáveis mesmo quando a geometria não foi totalmente otimizada, mostrando que o projeto é tolerante a imperfeições de fabricação.
Aumento da emissão de luz do WS2
Para entender como as cavidades afetam a emissão de luz, a equipe mediu a fotoluminescência do WS2 A profundidade da cavidade muda quando sob excitação do laser. Quando a ressonância da cavidade é compatível com WS2 banda de emissão, a saída de luz é aumentada em cerca de 20 vezes em comparação com a cavidade ressonante mínima.
Análises mais aprofundadas mostraram que este aumento não se deveu à forte absorção da luz que entrava. As simulações não indicaram nenhum aumento significativo no comprimento de onda de excitação, e os experimentos usando diferentes comprimentos de onda da bomba produziram consistentemente a emissão mais forte na mesma profundidade da cavidade. Isto garante que a melhoria advém dos efeitos relacionados com as emissões. A cavidade ressonante aumenta a densidade óptica local dos estados e permite que a luz emitida escape com mais eficiência.
Porque WS2 O nível foi constante em todas as amostras, permitindo aos investigadores comparar diretamente as emissões de diferentes regiões sob condições idênticas. Isso demonstra que a emissão aprimorada foi impulsionada pelo modo de cavidade projetada, e não por diferenças no material.
Óptica não linear e visualização de modos de luz
A equipe também explorou efeitos ópticos não lineares ajustando a geometria da cavidade para que a ressonância mudasse para a faixa do infravermelho próximo. Nestas condições, o sinal de segundo harmônico do WS2 aumentou cerca de 25 vezes em comparação com a cavidade ressonante. O sinal atingiu o pico quando o comprimento de onda de excitação se alinhou com a ressonância da cavidade.
Além de melhorar o desempenho, o sistema permite a visualização direta dos modos ópticos. A imagem de campo distante do sinal de segundo harmônico revelou pontos de acesso brilhantes e localizados acima de cavidades individuais. Esses pontos de acesso moviam-se em um padrão previsível em toda a matriz à medida que o comprimento de onda de excitação ou a profundidade da cavidade variavam. Isso fornece uma visão clara e real de como os campos ópticos evoluem entre ressonadores individuais, sem a necessidade de técnicas especiais de campo próximo.
Uma nova plataforma para fotônica atomicamente fina
Ao combinar aprimoramento óptico ajustável com controle espacial preciso em sistemas compatíveis com van der Waals, as heteroestruturas Me-void oferecem uma nova plataforma poderosa para trabalhar com materiais atomicamente finos. Ao contrário dos métodos tradicionais, este método não depende de grandes metassuperfícies e também é eficaz em materiais que absorvem fortemente a luz.
Esta tecnologia poderia permitir avanços na geração de luz não linear, detecção aprimorada de superfície e dispositivos fotônicos programáveis baseados em semicondutores bidimensionais. De forma mais ampla, mostra que moldar o espaço livre é tão importante quanto escolher o material certo ao projetar interações luz-matéria em nanoescala.
