Запрещенное распространение гиперболических фононных поляритонов и его применение в ближнепольном переносе энергии
Авторы нового исследования предлагают стратегию управления распространением фононных поляритонов в материале Ван-дер-Ваальса (триоксид молибдена) с помощью подложки, так что направление распространения гиперболических фононных поляритонов может быть переориентировано на 90° для достижения запрещенного распространения. В то же время описывается роль зависящей от подложки связи фононных поляритонов в ближнепольном тепловом излучении и исследуется влияние корреляции между шириной воздушного зазора и толщиной пластины триоксида молибдена на лучистую теплопередачу. На основе вывода дисперсионного уравнения учёные теоретически устанавливают связь между направлением распространения гиперболических фононных поляритонов и диэлектрической проницаемостью подложки, которая показывает, что гиперболические фононные поляритоны вдоль осей x и y не могут распространяться, когда подложка отсутствует или действительная часть диэлектрической проницаемости подложки положительна.
Схематические иллюстрации
(a) экспериментальной установки для процесса LIPAA с импульсами ГГц,
(b) формы импульса режима импульсов ГГц, содержащего P внутриимпульсов, и измеренные формы волн
(c) импульса импульса ГГц с 10 внутриимпульсными числами и (d) импульса в режиме одиночного импульса для сравнения.
Кредит: Opto-Electronic Science (2024). DOI: 10.29026/oes.2024.230053
Манипулирование фотонами в наномасштабе для разработки интегрированных и миниатюрных оптоэлектронных устройств, а также фотонных чипов было сильным стремлением сообщества нанофотоники. Среди них фононные поляритоны, поддерживаемые двумерными слоистыми ван-дер-ваальсовыми (vdW) материалами, которые появились в последние годы, привлекли большое внимание благодаря своему сверхдлительному времени жизни, сверхнизким потерям и сильным возможностям ограничения и показали большие перспективы в областях субволновой визуализации, аномальной рефракции, суперлинзирования, теплового управления и многого другого.
Возникает перспективная область исследований, направленная на преодоление дифракционного предела традиционной оптики в форме поляритонов и управление взаимодействием света и вещества.
Настраиваемые фононные поляритоны являются основой для улучшенной манипуляции фотонными устройствами. В настоящее время доступные стратегии настройки фононных поляритонов в основном ограничиваются созданием наноструктурированных структур на самом материале Ван-дер-Ваальса, таких как субволновые периодические массивные структуры (например, решетки) или скрученные многослойные структуры для создания магического угла фотоники, а также электромагнитно настраиваемое создание гетеропереходов Ван-дер-Ваальса на основе графена, где наноструктуры увеличивают потери, а скручивание ограничивает применение однослойных материалов.
Изучение большего количества методов модуляции важно для управления возбуждением и распространением фононных поляритонов. Кроме того, имеет большое практическое значение изучение влияния связи фононных поляритонов на перенос тепловой энергии в ближнем поле.
Авторы нового исследования предлагают стратегию управления распространением фононных поляритонов в материале Ван-дер-Ваальса (триоксид молибдена, α-MoO3) с помощью подложки, так что направление распространения гиперболических фононных поляритонов может быть переориентировано на 90° для достижения запрещенного распространения. В то же время описывается роль зависящей от подложки связи фононных поляритонов в ближнепольном тепловом излучении и исследуется влияние корреляции между шириной воздушного зазора и толщиной пластины α-MoO3 на лучистую теплопередачу.
На основе вывода дисперсионного уравнения члены группы теоретически устанавливают связь между направлением распространения гиперболических фононных поляритонов и диэлектрической проницаемостью подложки, которая показывает, что гиперболические фононные поляритоны вдоль осей x и y не могут распространяться, когда подложка отсутствует или действительная часть диэлектрической проницаемости подложки положительна.
Напротив, когда действительная часть диэлектрической функции подложки отрицательна и ее абсолютное значение не слишком велико, как в SiC, направление распространения переориентируется на 90°, и тогда оно может распространяться вдоль запрещенного направления. Для металлических подложек, таких как Au, основная мода может быть возбуждена при l=0, по сравнению с подвешенной конфигурацией, где самая низкая мода равна l=1.
Зависящие от подложки поляритоны применяются к лучистому переносу тепла для исследования влияния подложек SiC и Au на NFRHT между двумя пластинами α-MoO3 и сравнения его со случаем без подложки. Обнаружено, что усиление или подавление излучения подложкой SiC зависит от относительной амплитуды толщины пластины α-MoO3 и ширины воздушного зазора.
При изменении ширины вакуума всю область можно разделить на почти неактивную область, область ингибирования и область усиления слева направо на основе эффекта SiC. Другими словами, для определенной толщины, чем меньше ширина зазора, тем он менее эффективен. Это связано с тем, что когда пространственное расстояние меньше толщины пластины, область волнового вектора взаимной связи возбужденных поляритонов пластины не сильно отличается от области бесконечного объема, в результате чего пластина может быть эквивалентно рассмотрена как объемный материал в этот момент времени, и, таким образом, подложка неэффективна для передачи энергии.
