研究人员用激光“解压”2D材料

在5月1日发表在《科学进展》杂志上的一篇新论文中，哥伦比亚工程公司的研究人员使用商用桌面激光器在一种名为六方氮化硼（hBN）的层状2D材料样品中创建了微小的、原子级锋利的纳米结构或纳米图案

在与物理系的同事探索其纳米图案化结构的潜在应用时，该团队发现，他们的激光切割hBN样品可以有效地产生和捕获被称为声子极性子的准粒子，当材料中的原子振动与光子结合时，就会发生这种准粒子

“纳米图案是材料开发的主要组成部分，”领导该技术开发的工程博士生Cecilia Chen解释道

“如果你想把一种具有有趣特性的冷材料变成可以执行特定功能的东西，你需要一种方法来修改和控制它。”

亚历山大·盖塔教授实验室开发的新纳米图案化技术是一种用光修改材料的简单方法，而且不需要昂贵且资源密集的清洁室

纳米级悖论

存在几种公认的技术来修饰材料和创建所需的纳米图案，但它们往往需要大量的培训和昂贵的开销。例如，电子束光刻机必须安装在精心控制的洁净室中，而现有的激光选择涉及高温和等离子体，很容易损坏样品；激光器本身的尺寸也限制了可以创建的图案的尺寸

Gaeta实验室的技术利用了光学和光子学界所称的“光学驱动”。所有材料都以特定的共振振动。陈和她的同事可以通过将激光调谐到该频率来增强这些振动——在hBN的情况下，对应于7.3微米的波长——他们在去年11月发表在《自然通讯》上的研究中首次证明了这一点

在最新发表的工作中，他们将hBN推向更强烈的振动，但激光非但没有破坏底层的原子结构，反而将晶格彻底撕裂。据陈介绍，这种效果在显微镜下是可见的，看起来就像拉开拉链一样

样品上产生的线条在原子级上很清晰，比产生这些线条所用的中红外激光波长小得多，只有几纳米。“通常情况下，你需要更短的波长来制作更小的图案，”陈说。“在这里，我们可以使用非常长的波长创建非常尖锐的纳米结构。这是一种矛盾的现象。”

小结构，大物理

为了探索他们可以用纳米图案样品做什么，工程团队与物理学家德米特里·巴索夫的实验室合作，该实验室专门在不同的2D材料中创建和控制纳米光学效应，包括在hBN中创建声子极性子。

这些振动准粒子可以帮助科学家“观察”传统显微镜的衍射极限，并检测材料中引起量子现象的特征。随着这些年来电子设备变得越来越小，它们也可能成为光学设备小型化的关键部件

物理学博士生兼合著者Samuel Moore解释道：“现代社会建立在小型化的基础上，但收缩依赖光的设备比收缩电子要困难得多。”。“通过利用强大的hBN原子振动，我们可以将红外光波长缩小几个数量级。”

需要超锋利的边缘来激发声子极性子——通常，它们是通过所谓的“苏格兰胶带”方法从hBN薄片的侧面发射的，在这种方法中，使用家用胶带将大块晶体机械剥离成更薄的层。然而，研究小组发现，激光切割线为产生准粒子提供了更有利的条件

Moore说：“令人印象深刻的是，激光切割的hBN区域比边缘更有效地发射声子极化子，这表明hBN区域与红外光强烈相互作用。”

由于这项新技术可以在样品的任何地方产生纳米结构，它们还可以平行拉开两条线的拉链。这就产生了一个小空腔，可以将声子极性子限制在适当的位置，从而提高了它们的纳米光学灵敏度。该团队发现，他们拉开拉链的空腔在捕获准粒子方面的性能与在洁净室中创建的传统空腔相当

陈指出：“我们的研究结果表明，我们的初步结构可以与更成熟的方法产生的结构相竞争。”

逃离洁净室

该技术可以创建许多可定制的纳米图案。在双线腔之外，它可以创建任意数量的平行线。Moore说，如果这种阵列可以按需生产，具有任何所需的间距，这将大大提高声子极化子的成像能力，这将是一项巨大的成就

一旦开始，断裂可以延长到所需的时间，并且厚至80纳米和薄至24纳米的样品已经被拉开拉链——理论上，束缚可能要低得多

这为研究人员提供了大量的选择来修改hBN，并探索其纳米图案如何影响其最终性能，而不必穿着干净的房间兔子服。“这真的取决于你的最终目标，”陈说

话虽如此，她仍然认为还有很大的改进空间。由于hBN是一系列重复的六边形，因此该技术目前只能产生以60°或120°相交的直线或斜角，尽管陈认为将它们组合成三角形应该是可能的

目前，断裂也只能发生在平面内；如果他们能够确定如何瞄准平面外的振动，他们就有可能