調整可能な双曲線メタマテリアルとしての六角形の窒化ホウ素のグラフェン

六角形の窒化ホウ素（H-BN）は天然の双曲線材料であり、誘電定数は基底平面（ε（t）するまっている（x）=ε（y））で同じですが、反対の兆候があります（ε（t（t））通常の平面（ε（z））のε（z）<0）。この特性により、H-BNの有限厚のスラブは、双曲線フォノンポリトンの伝播のためのマルチモード導波路として機能します - フォノンの光子と電気双極子の間の結合に由来する収集モード。ただし、これらの双曲線フォノンポリトンモードの制御は、主にその電気動態特性がH-BNの結晶格子によって決定されるため、挑戦的なままです。ここでは、直接ナノ中層イメージングにより、これらの双曲線ポラリトンは、H-BN上の単層グラフェンで構成されるファンデルワールスヘテロ構造で効果的に調節できることを示しています。調整性は、グラフェン中の表面プラズモンポリトンのH-BNの双曲線フォノンポリトンのハイブリダイゼーションに由来するため、グラフェン/H-BNヘテロ構造の固有モードは双曲線プラズモン - フォノンポリトンです。グラフェン/H-BNの双曲線プラズモン - フォノンポリトンは、Ohmicの損失にほとんど影響を及ぼさず、H-BNの双曲線フォノンポリトンのそれよりも1.5〜2.0倍の伝播長になります。双曲線プラズモン - フォノンポリトンは、グラフェン中の表面プラズモンポリトンとH-BNの双曲線フォノンポリトンの組み合わせの美徳を持っています。したがって、グラフェン/H-BNは、これらのデバイスの結果の特性がその構成要素のみに存在しないため、電磁メタマテリアルとして分類できます。

Hexagonal boron nitride (h-BN) is a natural hyperbolic material, in which the dielectric constants are the same in the basal plane (ε(t) ≡ ε(x) = ε(y)) but have opposite signs (ε(t)ε(z) < 0) in the normal plane (ε(z)). Owing to this property, finite-thickness slabs of h-BN act as multimode waveguides for the propagation of hyperbolic phonon polaritons--collective modes that originate from the coupling between photons and electric dipoles in phonons. However, control of these hyperbolic phonon polaritons modes has remained challenging, mostly because their electrodynamic properties are dictated by the crystal lattice of h-BN. Here we show, by direct nano-infrared imaging, that these hyperbolic polaritons can be effectively modulated in a van der Waals heterostructure composed of monolayer graphene on h-BN. Tunability originates from the hybridization of surface plasmon polaritons in graphene with hyperbolic phonon polaritons in h-BN, so that the eigenmodes of the graphene/h-BN heterostructure are hyperbolic plasmon-phonon polaritons. The hyperbolic plasmon-phonon polaritons in graphene/h-BN suffer little from ohmic losses, making their propagation length 1.5-2.0 times greater than that of hyperbolic phonon polaritons in h-BN. The hyperbolic plasmon-phonon polaritons possess the combined virtues of surface plasmon polaritons in graphene and hyperbolic phonon polaritons in h-BN. Therefore, graphene/h-BN can be classified as an electromagnetic metamaterial as the resulting properties of these devices are not present in its constituent elements alone.