Skema propagasi polariton pada frekuensi nyata dan eksitasi frekuensi kompleks yang disintesis. Meskipun gelombang polariton pada frekuensi nyata memiliki jarak propagasi yang terbatas, menggabungkan gelombang propagasi dengan frekuensi nyata yang berbeda berdasarkan frekuensi kejadian yang kompleks dapat mencapai propagasi yang hampir tanpa kerugian. Kredit: Universitas Hong Kong
Sebuah kelompok penelitian, yang dipimpin bersama oleh Profesor Shuang Zhang, Kepala Sementara Departemen Fisika di Universitas Hong Kong (HKU), dan Profesor Qing Dai dari Pusat Nasional Nanosains dan Teknologi di Tiongkok, telah menyajikan solusi untuk a masalah umum. di bidang nanofotonik – studi tentang cahaya pada skala yang sangat kecil.
Temuan mereka baru-baru ini dipublikasikan di jurnal akademis bergengsi Bahan Alami, mengusulkan pendekatan gelombang frekuensi kompleks sintetik (CFW) untuk mengatasi kerugian optik dalam propagasi polariton. Temuan ini menawarkan solusi praktis seperti perangkat berbasis cahaya yang lebih efisien untuk penyimpanan dan pemrosesan data yang lebih cepat dan ringkas di perangkat seperti chip komputer dan perangkat penyimpanan data, serta peningkatan ketepatan dalam sensor, teknik pencitraan, dan sistem keamanan.
Polariton plasmon permukaan dan polariton fonon menawarkan keunggulan seperti penyimpanan energi yang efisien, peningkatan medan lokal, dan sensitivitas tinggi, memanfaatkan kemampuannya untuk membatasi cahaya pada skala kecil. Namun penerapan praktisnya terhambat oleh masalah kerugian ohmik yang menyebabkan disipasi energi saat berinteraksi dengan bahan alami.
Polariton fonon hiperbolik dan propagasi polariton fonon elips dalam film α-MoO3. (a) Antena AFM ditempatkan pada film α-MoO3. (b) Pengukuran frekuensi semu polariton hiperbolik pada frekuensi semu yang berbeda. (c) Pengukuran frekuensi kompleks memberikan perilaku propagasi jarak yang sangat jauh. (d) AFM dua antena emas pada jarak berbeda. (e) Amplitudo dan bagian nyata pengukuran pada frekuensi nyata f=990cm-1. (f) Amplitudo dan bagian nyata pengukuran pada frekuensi kompleks f=(990-2i)cm-1. (Gambar diadaptasi dari Nature Materials, 2024). Kredit: Universitas Hong Kong
Selama tiga dekade terakhir, keterbatasan ini telah menghambat kemajuan nanofotonik untuk penginderaan, superimaging, dan sirkuit nanofotonik. Mengatasi kerugian ohmik akan meningkatkan kinerja perangkat secara signifikan, memungkinkan kemajuan dalam teknologi penginderaan, pencitraan resolusi tinggi, dan sirkuit nanofotonik canggih.
Profesor Shuang Zhang, penulis makalah ini, menjelaskan fokus penelitiannya, 'Untuk mengatasi tantangan kehilangan optik dalam aplikasi umum, kami telah mengusulkan solusi praktis. Dengan menggunakan eksitasi gelombang kompleks sintetik baru, kita dapat memperoleh keuntungan virtual dan mengatasi kelemahan intrinsik sistem polariton. Untuk memvalidasi pendekatan ini, kami menerapkannya pada sistem propagasi fonon polariton dan mengamati peningkatan yang signifikan dalam propagasi polariton.'
'Kami mendemonstrasikan pendekatan kami dengan melakukan eksperimen menggunakan bahan fonon polariton, seperti hBN dan MoO3, dalam rentang frekuensi optik. Seperti yang diharapkan, kami memperoleh jarak propagasi yang hampir tidak ada kerugian yang konsisten dengan prediksi teoretis kami,' tambah Dr Fuxin Guan, penulis pertama makalah ini dan Rekan Postdoctoral di Departemen Fisika di HKU.
Pendekatan multi-frekuensi untuk mengatasi kehilangan optik
Dalam penelitian ini, tim mengembangkan pendekatan frekuensi ganda baru untuk mengatasi kehilangan energi dalam propagasi polariton. Mereka menggunakan jenis gelombang khusus yang disebut 'gelombang frekuensi kompleks' untuk mencapai penguatan virtual dan mengkompensasi kerugian dalam sistem optik. Meskipun gelombang reguler mempertahankan amplitudo atau intensitas konstan dari waktu ke waktu, gelombang frekuensi kompleks menunjukkan osilasi dan amplifikasi secara simultan. Karakteristik ini memungkinkan representasi perilaku gelombang yang lebih komprehensif dan memungkinkan kompensasi kehilangan energi.
Propagasi Polariton 1D (dari kiri ke kanan) menggunakan film hBN yang beroperasi pada frekuensi optik. (a) Citra frekuensi nyata menunjukkan profil medan peluruhan yang jelas pada arah rambat. (b) Pengukuran frekuensi kompleks memberikan perilaku propagasi yang hampir non-disipatif. (Angka diadaptasi dari Nature Materials, 2024) Kredit: The University of Hong Kong
Meskipun frekuensi umumnya dianggap sebagai bilangan real, frekuensi juga dapat mempunyai bagian imajiner. Bagian imajiner ini memberi tahu kita bagaimana gelombang menjadi lebih kuat atau lebih lemah seiring berjalannya waktu. Gelombang dengan frekuensi kompleks yang menampilkan bagian imajiner negatif (positif) meluruh (menguat) seiring waktu. Namun, melakukan pengukuran kami secara langsung di bawah eksitasi gelombang frekuensi kompleks dalam optik merupakan suatu tantangan karena memerlukan pengukuran dengan batasan waktu yang kompleks. Untuk mengatasinya, para peneliti menggunakan alat matematika Fourier Transform untuk memecah gelombang frekuensi kompleks terpotong (CFW) menjadi komponen-komponen dengan frekuensi individual.
Sama seperti saat Anda sedang memasak dan membutuhkan bahan tertentu yang sulit ditemukan, peneliti menggunakan ide serupa. Mereka memecah gelombang frekuensi kompleks menjadi komponen yang lebih sederhana, seperti menggunakan bahan pengganti dalam resep. Setiap komponen mewakili aspek gelombang yang berbeda. Ibaratnya menciptakan suatu masakan yang lezat dengan menggunakan bahan-bahan pengganti untuk mendapatkan rasa yang diinginkan. Dengan mengukur komponen-komponen ini pada frekuensi berbeda dan menggabungkan data, mereka merekonstruksi perilaku sistem yang diterangi oleh gelombang frekuensi kompleks. Ini membantu mereka memahami dan mengkompensasi hilangnya energi. Pendekatan ini sangat menyederhanakan penerapan praktis CFW dalam berbagai aplikasi, termasuk propagasi polariton dan superimaging. Dengan melakukan pengukuran optik pada frekuensi nyata yang berbeda pada interval tetap, respons optik sistem dapat dibangun pada frekuensi kompleks. Hal ini dicapai dengan menggabungkan secara matematis respons optik yang diperoleh pada frekuensi nyata yang berbeda.
Profesor Qing Dai, Pusat Nasional untuk Nanosains dan Teknologi dan penulis makalah lainnya, menyatakan bahwa penelitian ini telah memberikan solusi praktis untuk mengatasi masalah hilangnya optik dalam nanofotonik yang telah lama ada. Dia menyoroti pentingnya metode frekuensi kompleks yang disintesis, menyatakan bahwa metode tersebut dapat dengan mudah diterapkan ke berbagai aplikasi lain seperti penginderaan molekuler dan sirkuit terpadu nanofotonik. Dia lebih lanjut menekankan bahwa 'metode ini luar biasa dan dapat diterapkan secara universal, karena metode ini juga dapat digunakan untuk mengatasi hilangnya sistem gelombang lainnya, termasuk gelombang suara, gelombang elastis, dan gelombang kuantum, sehingga meningkatkan kualitas pencitraan ke tingkat yang belum pernah terjadi sebelumnya. '
Referensi: “Mengkompensasi kerugian dalam propagasi polariton dengan eksitasi frekuensi kompleks yang disintesis” oleh Fuxin Guan, Xiangdong Guo, Shu Zhang, Kebo Zeng, Yue Hu, Chenchen Wu, Shaobo Zhou, Yuanjiang Xiang, Xiaoxia Yang, Qing Dai dan Shuang Zhang, 8 Januari 2024, Bahan Alami.
DOI: 10.1038/s41563-023-01787-8
Pekerjaan ini didukung oleh New Cornerstone Science Foundation, Research Grants Council of Hong Kong.
NewsRoom.id
