Perangkat baru yang mengintegrasikan polariton 2D dengan sistem deteksi listrik menandai kemajuan signifikan dalam nanofotonik, menawarkan cakupan spektral dan kejernihan sinyal yang unggul.
Platform mini ini dapat mengubah aplikasi dalam penginderaan dan pencitraan dengan meningkatkan kemampuan pengekangan dan deteksi cahaya.
Dinamika Polariton dalam Nanofotonik
Polariton adalah eksitasi unik yang tercipta ketika gelombang elektromagnetik berpasangan dengan partikel bermuatan atau getaran dalam struktur atom suatu material. Dalam nanofotonik, mereka memainkan peran penting karena kemampuannya untuk membatasi cahaya di ruang yang sangat kecil, hingga volume berukuran nanometer, yang sangat penting untuk meningkatkan interaksi antara cahaya dan materi. Materi dua dimensi—hanya satu atom tebal—sangat efektif untuk membuat polariton. Material 2D ini menawarkan pengekangan cahaya yang ekstrem, pengurangan kehilangan energi (memperpanjang masa pakai polariton), dan kemampuan penyesuaian yang lebih baik dibandingkan material curah.
Untuk lebih menyempurnakan pengekangan cahaya dan meningkatkan sifat polaritonik, para ilmuwan menggunakan skala nano struktur yang dikenal sebagai nanoresonator. Ketika cahaya berinteraksi dengan nanoresonator, ia menggairahkan polariton yang berosilasi dan beresonansi pada frekuensi tertentu, yang dibentuk oleh material dan geometri resonator. Hal ini memungkinkan kontrol cahaya yang sangat presisi pada skala nano, membuka kemungkinan baru untuk manipulasi optik tingkat lanjut.
Kemajuan dan Tantangan dalam Deteksi Polariton
Meskipun penggunaan polariton untuk pengekangan ringan sudah merupakan praktik yang sudah ada, masih ada ruang untuk perbaikan terkait metode yang bertujuan untuk menyelidikinya. Dalam beberapa tahun terakhir, pengukuran optik telah menjadi pilihan umum, namun detektornya yang besar memerlukan peralatan eksternal. Hal ini membatasi miniaturisasi sistem deteksi dan kejernihan sinyal (dikenal sebagai rasio signal-to-noise) yang dapat diperoleh dari pengukuran, yang pada gilirannya menghambat penerapan sifat polaritonik di area di mana kedua fitur ini penting, seperti penginderaan molekuler.
Terobosan dalam Integrasi dan Deteksi Polariton
Kini, peneliti dari ICFO Dr. Sebastián Castilla, Dr. Hitesh Agarwal, Dr. David Alcaraz, Dr. Adrià Grabulosa, Matteo Ceccanti, Dr. Roshan Krishna Kumar, dipimpin oleh ICREA Prof. Frank Koppens; Universitas Ioannina; Universitas do Minho; Laboratorium Nanoteknologi Iberia Internasional; Universitas Negeri Kansas; Institut Nasional Ilmu Material (Tsukuba, Jepang); POLIMA (Universitas Denmark Selatan); dan URCI (Institut Ilmu Material dan Komputasi, Ioannina) telah mendemonstrasikannya dalam a Komunikasi Alam artikel integrasi polariton 2D dengan sistem deteksi ke dalam material 2D yang sama.
Perangkat terintegrasi ini memungkinkan, untuk pertama kalinya, deteksi listrik nanoresonator polaritonik 2D yang diselesaikan secara spektral, dan menandai langkah signifikan menuju miniaturisasi perangkat.
Keuntungan Spektroskopi Listrik dalam Penelitian Polariton
Tim menerapkan spektroskopi listrik pada tumpukan tiga lapisan bahan 2D, khususnya lapisan hBN (hexagonal boron-nitrate) yang ditempatkan di atasnya. grapheneyang dilapiskan pada lembar hBN lain. Selama percobaan, para peneliti mengidentifikasi beberapa keunggulan spektroskopi listrik dibandingkan teknik optik komersial. Dengan yang pertama, jangkauan spektral yang tercakup secara signifikan lebih luas (yaitu, mencakup rentang frekuensi yang lebih luas, termasuk inframerah dan terahertz rentang), peralatan yang dibutuhkan jauh lebih kecil, dan pengukurannya menunjukkan rasio signal-to-noise yang lebih tinggi.
Implikasi Platform Elektro-Polaritonik untuk Teknologi Masa Depan
Platform elektro-polarisasi ini mewakili terobosan di bidang ini karena dua fitur utama. Pertama, detektor eksternal untuk spektroskopi, yang dibutuhkan oleh sebagian besar teknik optik, tidak lagi diperlukan. Satu perangkat berfungsi sekaligus sebagai fotodetektor dan platform polaritonik, sehingga memungkinkan miniaturisasi sistem lebih lanjut. Dan kedua, meskipun secara umum pembatasan cahaya yang lebih tinggi akan merugikan kualitas pembatasan ini (misalnya, memperpendek durasi penangkapan cahaya), perangkat terintegrasi berhasil mengatasi keterbatasan ini. “Platform kami memiliki kualitas luar biasa, mencapai pengekangan lateral optik yang memecahkan rekor dan faktor kualitas tinggi hingga sekitar 200. Tingkat pengurungan dan kualitas graphene yang luar biasa ini secara signifikan meningkatkan efisiensi fotodeteksi,” jelas Dr. Sebastián Castilla, rekan penulis pertama artikel tersebut.
Selain itu, pendekatan spektroskopi listrik memungkinkan penyelidikan polariton 2D yang sangat kecil (dengan ukuran lateral sekitar 30 nanometer). “Hal ini sangat sulit dideteksi dengan teknik konvensional karena keterbatasan resolusi,” tambahnya.
Castilla kini merenungkan penemuan-penemuan di masa depan yang dapat dihasilkan melalui pendekatan baru mereka. “Aplikasi penginderaan, pencitraan hiperspektral, dan spektrometri optik dapat memperoleh manfaat dari platform terintegrasi elektro-polarisasi ini. Misalnya, dalam hal penginderaan, deteksi molekul dan gas secara elektrik pada chip dapat dilakukan,” sarannya. “Saya percaya bahwa pekerjaan kami akan membuka pintu bagi banyak aplikasi yang selama ini terhambat oleh sifat besar dari platform komersial standar.”
Referensi: “Spektroskopi listrik nanoresonator polaritonik” oleh Sebastián Castilla, Hitesh Agarwal, Ioannis Vangelidis, Yuliy V. Bludov, David Alcaraz Iranzo, Adrià Grabulosa, Matteo Ceccanti, Mikhail I. Vasilevskiy, Roshan Krishna Kumar, Eli Janzen, James H. Edgar , Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Nuno MR Peres, Elefterios Lidorikis dan Frank HL Koppens, 5 Oktober 2024, Komunikasi Alam.
DOI: 10.1038/s41467-024-52838-w
