Hvordan infrarødt lys kan fanges af grafen nanostrukturer

Forskere fra CIC nanoGUNE, i samarbejde med ICFO og Graphenea, har demonstreret, hvordan infrarødt lys kan fanges af nanostrukturer lavet af grafen. Dette sker, når lys kobler sig for at lade oscillationer i grafenet. Den resulterende blanding af lys- og ladningssvingninger, kaldet plasmon, kan presses ind i rekordsmå volumener millioner af gange mindre end i konventionelle dielektriske optiske hulrum. Denne proces er blevet visualiseret af forskerne for første gang ved hjælp af en state-of-the-art, nærfeltsmikroskop og forklaret med teori. Forskerne identificerede to typer plasmoner - kant- og arktilstande - der forplantede sig enten langs arket eller langs arkets kanter. Kantplasmonerne er unikke for deres evne til at kanalisere elektromagnetisk energi i én dimension.

Arbejdet, rapporteret i Naturfotonik , åbner nye muligheder for ultrasmå og effektive fotodetektorer, sensorer og andre fotoniske og optoelektroniske nanoenheder.

Grafen-baserede teknologier muliggør ekstremt små optiske nanoenheder. Bølgelængden af ​​lys fanget af et grafenark, et enkeltlag af kulstofatomer, kan forkortes med en faktor 100 i forhold til lys, der forplanter sig i fri plads. Som en konsekvens, lyset, der forplanter sig langs grafenarket, som kaldes grafen plasmon, kræver meget mindre plads. Af den grund, fotoniske enheder kan gøres meget mindre. Den plasmoniske feltkoncentration kan øges yderligere ved at fremstille grafen nanostrukturer, der fungerer som nanoresonatorer for plasmonerne. Det forbedrede felt har allerede fundet anvendelse i forbedret infrarød og terahertz fotodetektion og infrarød vibrationsføling af molekyler, blandt andet.

"Udviklingen af ​​effektive enheder baseret på plasmoniske grafen nanoresonatorer vil afhænge kritisk af præcis forståelse og kontrol af de plasmoniske tilstande inde i dem, " siger Dr. Pablo Alonso-Gonzalez, (nu ved Oviedo University), som udførte real-space billeddannelse af grafen nanoresonatorer med et nærfeltsmikroskop.

"Vi er blevet stærkt imponeret over mangfoldigheden af ​​plasmoniske kontraster, der observeres i nærfeltsbillederne, " siger Dr. Alexey Nikitin, Ikerbaskisk forskningsstipendiat ved nanoGUNE, der udviklede teorien til at identificere de individuelle plasmontilstande.

Forskerholdet har adskilt de individuelle plasmoniske tilstande og adskilt dem i to forskellige klasser. Den første klasse af plasmoner - "pladeplasmoner" - kan eksistere "inde i" grafen nanostrukturer, strækker sig over hele grafenområdet. Omvendt den anden klasse af plasmoner - "kantplasmoner" - kan udelukkende forplante sig langs kanterne af grafen nanostrukturer, fører til hviskende galleritilstande i skiveformede nanoresonatorer eller Fabry-Perot-resonanser i grafen-nanorektangler på grund af refleksion i deres hjørner. Kantplasmonerne er meget bedre afgrænsede end arkplasmonerne og, mest vigtigt, overføre energien i en enkelt dimension.

Billederne i det virkelige rum afslører dipolære kanttilstande med et tilstandsvolumen, der er 100 millioner gange mindre end en terning af frirumsbølgelængden. Forskerne målte også spredningen (energi som funktion af momentum) af kantplasmonerne baseret på deres nærfeltsbilleder, fremhæver den forkortede bølgelængde af kantplasmoner sammenlignet med arkplasmoner. Takket være deres unikke egenskaber, kantplasmoner kunne være en lovende platform til kobling af kvanteprikker eller enkelte molekyler i fremtidige kvanteopto-elektroniske enheder.

"Vores resultater giver også ny indsigt i fysikken i nærfeltsmikroskopi af grafenplasmoner, hvilket kunne være meget nyttigt til at fortolke nærfeltsbilleder af andre lys-stof-interaktioner i todimensionelle materialer, " siger Ikerbaskisk forskningsprofessor Rainer Hillenbrand, der ledede projektet.