Исследователи обнаружили, как двуслойный графен может управлять светом, пишет eurekalert.org. Когда два слоя графена помещаются один поверх другого и скручиваются на очень небольшой угол, образуется «муаровый узор», и физические свойства системы резко меняются. В частности, около «магического» угла в 1 градус электроны резко замедляются, способствуя взаимодействию между электронами. Такие взаимодействия приводят к появлению нового типа сверхпроводимости и диэлектрических фаз в скрученном двухслойном графене.

Наряду со многими другими удивительными свойствами, обнаруженными за последние три года, этот материал показал чрезвычайно богатые физические явления, но, что наиболее важно, он оказался легко управляемым квантовым материалом. Теперь, несмотря на то, что этот углеродный материал демонстрирует удивительно разнообразные состояния, взаимодействие между скрученным двухслойным графеном и светом, как было показано, дает увлекательные результаты на теоретическом уровне, но до сих пор ни один эксперимент не смог четко показать, как это взаимодействие работает.

В недавней работе, опубликованной в журнале Nature Physics, исследователи ICFO Нильс Хесп, Якопо Торре, Дэвид Барконс-Руис и Ханан Херциг Шейнфукс, предоставленные профессором ICREA в ICFO Франком Коппенсом, в сотрудничестве с исследовательскими группами профессора Пабло Харилло-Эрреро ( Массачусетский технологический институт), профессор Марко Полини (Пизанский университет), профессор Эфтимиос Каксирас (Гарвард), профессор Дмитрий Ефетов (ICFO) и NIMS (Япония) обнаружили, что скрученный двухслойный графен может использоваться для направления и управления светом в нанометровой шкале. Это возможно благодаря взаимодействию света и коллективному движению электронов в материале.

Используя свойства плазмонов, в которых электроны и свет движутся вместе как одна когерентная волна, ученые смогли наблюдать, как плазмоны распространяются в материале, будучи сильно ограниченными материалом, вплоть до наномасштаба. Более того, наблюдая необычные коллективные оптические явления, происходящие в материале, они смогли понять особые свойства электронов. Это наблюдение распространяющегося света, ограниченное наномасштабами, может использоваться в качестве платформы для оптического зондирования газов и биомолекул.

Чтобы получить результаты этого открытия, команда использовала микроскоп ближнего поля, который позволяет исследовать оптические свойства с пространственным разрешением 20 нанометров, разрешением, выходящим за дифракционный предел.

Вкратце, ученые взяли два слоя графена, поместили их один поверх другого, закручивая их под магическим углом, а затем при комнатной температуре осветили материал инфракрасным светом на наноразмерном пятне. Они увидели, что плазмоны ведут себя совсем иначе, чем обычные плазмоны, например, в металлах или графене, и это отклонение связано со специфическим движением электронов внутри муаровой сверхрешетки двухслойного графена.

Эта работа закладывает первый камень в нанооптические исследования экзотических фаз скрученного двухслойного графена при низких температурах. В частности, он демонстрирует, что скрученный двухслойный графен является замечательным нанофотонным материалом, особенно потому, что он служит внутренним (не требуется внешнее напряжение) хозяином коллективных возбуждений.