Artículo seleccionado como artículo destacado del GEFES en la convocatoria correspondiente a artículos publicados entre octubre de 2019 y marzo de 2020.

Broad spectral tuning of ultra-low loss polaritons in a van der Waals crystal by intercalation.

Taboada-Gutiérrez, J., Álvarez-Pérez, G., Duan, J. et al

Investigadores de la Universidad de Oviedo y del Centro de Investigación en Nanomateriales y Nanotecnología (CINN) del CSIC descubren un método eficaz para extender el rango de frecuencias de excitación de nanoluz en forma de polaritones fonónicos en materiales de van der Waals. El hallazgo permitirá avanzar en el desarrollo de dispositivos fotónicos compactos para tecnologías de la información y la comunicación o sensores biológicos de alta precisión.

Los materiales de van der Waals representan un banco de prueba ideal para estudiar la propagación de luz en la nanoescala en forma de polaritones fonónicos (acoplamiento entre luz y vibraciones de la red atómica en materiales polares). Una de sus características más relevantes es la posibilidad de confinar la luz incidente en dimensiones espaciales muy por debajo del límite de difracción con tiempos de vida en el rango de los picosegundos [1]. Además, el descubrimiento de materiales de van der Waals con fuerte anisotropía cristalina, como el nitruro de boro hexagonal (h-BN) [2] o el trióxido de molibdeno (MoO3) [1], ha permitido la observación de fenómenos ópticos exóticos en medios naturales y en la nanoescala con interesantes aplicaciones tecnológicas, como pueden ser el hiper-focalizado (‘hyper-lensing’) [3] o la canalización (‘channeling’) de polaritones fonónicos [4]. Sin embargo, los polaritones fonónicos solo pueden ser excitados en rangos de frecuencias muy limitados inherentes al material en el que son excitados (conocidos como ‘Reststrahlen bands’, RB), lo que limita enormemente su implementación práctica.

En este artículo, los autores demuestran por primera vez un método para expandir ampliamente el rango de frecuencias para la excitación de polaritones fonónicos en el material de van der Waals pentaóxido de vanadio (V2O5) mediante el intercalado de átomos de sodio (Na) en su estructura cristalina. En particular, esta aproximación tiene un elevado potencial tecnológico ya que puede ser implementada en una variedad de materiales de van der Waals naturales preservando la calidad óptica del material con tiempos de vida en el rango de los picosegundos [5].

El V2O5 es un material de van der Waals cuya estructura cristalina ortorrómbica consiste en la repetición periódica de tetraedros formados por un átomo de vanadio en el centro rodeado de 5 átomos de oxígeno, como se indica en la Figura (panel de la izquierda). Al ser intercaladas las capas de V2O5 con átomos de Na, formando así el compuesto Na-V2O5, la distancia entre capas sucesivas aumenta, modificando así el espectro de fonones permitidos y, por consiguiente, la energía de los polaritones fonónicos excitados en el material.

Para estudiar la respuesta polaritónica de estos materiales intercalados se empleó un microscopio de campo cercano de tipo dispersivo s-SNOM (del inglés scattering-Scanning Near-Field Optical Microscope, ver panel derecho en la figura). Esta técnica está basada en un microscopio AFM (del inglés atomic force microscopy) cuya punta metalizada permite, al ser iluminada mediante un haz monocromático de luz, excitar y visualizar en el espacio real polaritones altamente confinados.

Tal y como se muestra en el artículo, el V2O5 posee una banda espectral de excitación de polaritones fonónicos entre 9.6 y 10.25 mm que presentan distinta periodicidad, o dispersión, en función de la dirección cristalina (los polaritones tienen una longitud de onda mayor a lo largo de la dirección cristalina [001] que a lo largo de la dirección [100]) debido a la fuerte anisotropía del cristal que se traslada a las propiedades ópticas del mismo. Además, los tiempos de vida de los polaritones alcanzan los 6 picosegundos, del mismo orden que los valores más altos reportados hasta la fecha. Al ser intercalado, el compuesto resultante Na-V2O5 presenta la misma propagación anisotrópica de polaritones que el material prístino, pero en este caso son excitados en el rango 9.85-10.5 mm, lo que supone un corrimiento de la banda espectral polaritónica de un 60%. Cabe destacar que los tiempos de vida obtenidos en el material intercalado son de 4 picosegundos, es decir, similares al material sin procesar.

En resumen, el trabajo demuestra cómo el intercalado de átomos en materiales de van der Waals es un método óptimo para controlar y extender el rango de excitación de polaritones fonónicos sin detrimento de sus propiedades ópticas. Teniendo en cuenta la gran cantidad de átomos disponibles, este trabajo permite aventurar que en un futuro cercano será posible excitar “nanoluz” en todo el rango espectral del infrarrojo, crítico para aplicaciones tecnológicas.

Izquierda. Estructura cristalina del Na-V2O5. La estructura cristalina del V2O5 consiste en bicapas de pirámides irregulares apiladas a lo largo de la dirección [010] vía interacciones de van der Waals. Al ser intercalados, los átomos de Na se acomodan ordenadamente entre las capas de V2O5 en sitios definidos, aumentando la distancia entre capas. En el esquema las bolas rojas denotan los átomos de oxígeno, las azules los átomos de vanadio y las amarillas los átomos de sodio. Derecha. Esquema del SNOM. Una punta metalizada de AFM es iluminada con luz con polarización p con frecuencia y campo eléctrico Einc. La punta permite la excitación y visualización de polaritones.

Referencias:

  1. Ma, W. et al. In-plane anisotropic and ultra-low-loss polaritons in a natural van der Waals crystal. Nature 562, 557–562 (2018).
  2. Dai, S. et al. Tunable phonon polaritons in atomically thin van der Waals crystals of boron nitride. Science 343, 1125–1129 (2014).
  3. Caldwell, J. D. et al. Photonics with hexagonal boron nitride. Nat. Rev. Mater. 4, 552–567 (2019).
  4. Hu, G. et al. Nano Lett. 2020, 20, 5, 3217–3224 Publication Date:April 16, 2020 https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b05319
  5. Artículo Destacado Taboada-Gutiérrez, J., Álvarez-Pérez, G., Duan, J. et al. Broad spectral tuning of ultra-low loss polaritons in a van der Waals crystal by intercalation. Nat. Mater. (2020). https://doi.org/10.1038/s41563-020-0665-0

Tags: Nanophotonics, Two-dimensional materials, Near-field microscopy, Phonon polaritons.