Near-field detection of gate-tunable anisotropic plasmon polaritons in black phosphorus at terahertz frequencies

太赫兹辐射 光电子学 等离子体子 极化子 材料科学 表面等离子体激元 石墨烯 各向异性 光学 表面等离子体子 物理 纳米技术
作者
Eva A. A. Pogna,Valentino Pistore,Leonardo Viti,Lianhe Li,A. G. Davies,E. H. Linfield,Miriam S. Vitiello
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:15 (1) 被引量:8
标识
DOI:10.1038/s41467-024-45264-5
摘要

Abstract Polaritons in two-dimensional layered crystals offer an effective solution to confine, enhance and manipulate terahertz (THz) frequency electromagnetic waves at the nanoscale. Recently, strong THz field confinement has been achieved in a graphene-insulator-metal structure, exploiting THz plasmon polaritons (PPs) with strongly reduced wavelength ( λ p ≈ λ 0 /66) compared to the photon wavelength λ 0 . However, graphene PPs propagate isotropically, complicating the directional control of the THz field, which, on the contrary, can be achieved exploiting anisotropic layered crystals, such as orthorhombic black-phosphorus. Here, we detect PPs, at THz frequencies, in hBN-encapsulated black phosphorus field effect transistors through THz near-field photocurrent nanoscopy. The real-space mapping of the thermoelectrical near-field photocurrents reveals deeply sub-wavelength THz PPs ( λ p ≈ λ 0 /76), with dispersion tunable by electrostatic control of the carrier density. The in-plane anisotropy of the dielectric response results into anisotropic polariton propagation along the armchair and zigzag crystallographic axes of black-phosphorus. The achieved directional subwavelength light confinement makes this material system a versatile platform for sensing and quantum technology based on nonlinear optics.
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