Negativna refrakcija uzrokovana eksitonima prvi put osmotrena u prirodnom materijalu

Kad svetlost prolazi kroz materijale, obično menja pravac i savija se na predvidive načine. Ova promena pravca, poznata kao refrakcija, uzrokovana je promenom brzine svetlosti dok ulazi u novu sredinu.

Međutim, u nekim retkim slučajevima, svetlost se savija drugačije, u suprotnom pravcu, što je poznato kao negativna refrakcija. Ova neobična promena pravca može se iskoristiti za razvoj širokog spektra naprednih tehnologija, uključujući napredne sisteme snimanja i male optičke uređaje.

Preporučujemo

Istraživači na Univerzitetu u Hongkongu su nedavno demonstrirali negativnu difrakciju u magnetnom poluprovodniku koristeći eksitone (tj. parove elektrona i elektronskih rupa). Njihov rad takođe izveštava o razvoju integrisanog nanofotonskog čipa koji funkcioniše kao hipersočivo, optička komponenta koja može da razbistri izuzetno sitne detalje.

Tokom protekle dve decenije, postizanje neuobičajenih optičkih efekata se uglavnom oslanjalo na plazmonične metamaterijale – veštački napravljene metalne nanostrukture. Izrada ovih struktura je teška i skupa.

„Ovaj izazov nas je doveo do jednostavnog, ali fundamentalnog pitanja: da li negativna refrakcija – fenomen koji obično zahteva precizne obrasce metamaterijala – može postojati u prirodnom, nedizajniranom materijalu? Cilj je bila eksperimentalna demonstracija takve mogućnosti pomoću sasvim intrinsičnog mehanizma materijala“, kažu istraživači.

Posmatrali su negativnu difrakciju u slojevitom magnetnom poluprovodniku CrSBr. Ovaj materijal je poznat po izuzetno snažnoj eksitonskoj reakciji, što znači da snažno reaguje na svetlost ili energiju, proizvodeći eksitone.

U CrSBr, unutrašnji magnetni momenti su poravnati duž dobro definisanog pravca. Taj magnetni poredak direktno upravlja ponašanjem eksitona i načinom na koji se šire i reemituju svetlost. Snop svetlosti je usmeren u tanku pločicu CrSBr postavljenu na dielektrični supstrat.

Istraživači su osmotrili da eksitoni u CrSBr reemituju svetlost u pravcu suprotno dolaznom snopu. To je jasan potpis negativne refrakcije.

Eksitonsko hipersočivo na čipu sastoji se od precizno isečene ploče CrSBr integrisane na fotonski čip. Svetlost je spojena sa pločom i eksitoni je vode duž zakrivljenih putanja koje se sastaju u tački koja je po veličini uporediva sa talasnom dužinom svetlosti. Ovo formira hipersočivo koje u potpunosti funkcioniše unutar prirodnog materijala, kažu istraživači.

Prvi put je osmotrena negativna refrakcija uzrokovana eksitonima u prirodnom magnetnom materijalu, bez potrebe da se pažljivo inženjerski modelira. Ovaj rad uvodi novu platformu za kontrolu svetlosti u nanorazmerama, koja bi se mogla upotrebiti za razvoj inovativnih i naprednih tehnologija.

„Naši nalazi premošćuju dva ranije posebna polja – magnetizam i nanofotoniku – na direktan i materijalno intrinsičan način“, kažu istraživači.

„Iz praktične perspektive, to otvara nove mogućnosti za rekonfigurabilne optičke komponente. Pošto se magnetni poredak u CrSBr može menjati pomoću spoljašnjeg magnetnog polja ili promenom temperature, isti uređaj se može prebacivati između normalne i negativne refrakcije“.

U budućnosti, identifikovani materijal bi se mogao koristiti za stvaranje raznih novih tehnologija koje se oslanjaju na negativnu refrakciju, uključujući instrumente mikroskopije, litografske tehnike visoke rezolucije i optičke računarske sisteme. U međuvremenu se nastavlja rad u ovoj oblasti u dva glavna pravca istraživanja.

Prvi uključuje integraciju CrSBr sa drugim fotonskim i optoelektronskim komponentama za izgradnju funkcionalnih prototipskih uređaja – kao što su podesivo supersočivo ili optički prekidač kontrolisan magnetnim poljem.

Drugi istražuje višestruke slojeve CrSBr sa malim uglovima uvrtanja, gde dobijena moare superrešetka može drastično izmeniti ponašanje eksitona. Ova platforma bi trebalo da bude razvijena za proučavanje interakcija između magnetizma i fotonike u nanorazmerama.

(Telegraf Nauka/Phys.org)