Il borofene dirige la luce su scala nanometrica
Il team di ricerca di Kiel osserva per la prima volta una speciale propagazione della luce in un metallo atomicamente sottile, con un potenziale per i componenti ottici compatti
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Oggi lo studiano i microscopi elettronici, domani potrebbe far parte dei microscopi stessi: un metallo composto da un solo strato atomico dirige la luce attraverso la sua superficie e la focalizza in uno spazio molto ridotto, anche a lunghezze d'onda visibili. Un team dell'Università di Kiel (CAU) ha dimostrato per la prima volta questo effetto nel borofene.
La risposta ottica di uno strato di borofene viene analizzata mediante la spettroscopia di catodoluminescenza.
Y. Abdi
Immagine al microscopio elettronico a scansione del borofene su un reticolo d'oro perforato per microscopio elettronico a trasmissione.
N. Talebi
Il metallo bidimensionale, conosciuto da meno di dieci anni, potrebbe servire come piattaforma per nuove interazioni luce-materia.
Come si creano le speciali onde luminose
La base di questo effetto risiede in una particolare interazione tra luce ed elettroni. Le onde luminose si combinano nel materiale con le oscillazioni collettive degli elettroni - i plasmoni. Si crea così un'"onda ibrida" di luce e materia. Il borofene presenta una forma speciale: i polaritoni iperbolici. Si propagano a velocità e intensità diverse a seconda della direzione, come le automobili che hanno il passaggio libero in direzione nord-sud ma devono guidare a 30 km/h in direzione est-ovest.
La struttura atomica del borofene costringe gli elettroni a percorsi favoriti. Questa dipendenza direzionale, chiamata anisotropia, focalizza la luce in modo estremo e la controlla al di sotto del limite di diffrazione, più finemente di quanto sia normalmente possibile. Si tratta di un vantaggio decisivo se i sistemi ottici devono diventare sempre più piccoli e precisi.
Per dimostrare l'effetto, il team di Kiel ha eccitato il borofene in un microscopio elettronico con fasci di elettroni e ha analizzato la luce risultante con una precisione nanometrica.
Il borofene si aggiunge a un raro gruppo di materiali
I polaritoni iperbolici sono stati osservati in precedenza in materiali che operano nella gamma degli infrarossi o dei terahertz. Il borofene, invece, opera nella gamma del visibile, aprendo così nuove possibilità per la nanofotonica.
"Il borofene è metallico, atomicamente sottile e anisotropo per natura", spiega il professor Nahid Talebi dell'Istituto di fisica sperimentale e applicata dell'Università di Kiel, che ha guidato lo studio insieme allo scienziato ospite professor Yaser Abdi. "Queste proprietà ne fanno una piattaforma completamente nuova per guidare la luce visibile su scala nanometrica. Possiamo controllare la propagazione della luce in modi che prima non erano possibili con altri materiali".
Il lavoro pone le basi per le tecnologie future. Le possibili applicazioni includono componenti fotonici particolarmente compatti, sensori ottici altamente sensibili o metodi di microscopia che superano il limite di risoluzione classico. Poiché il borofene lavora nella gamma del visibile, corrisponde anche alle lunghezze d'onda di molti sistemi di comunicazione quantistica.
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