On-chip observation af THz grafen plasmoner

Forskere udviklede en teknik til billeddannelse af THz-fotostrømme med opløsning i nanoskala, og anvendte det til at visualisere stærkt komprimerede THz-bølger (plasmoner) i en grafen-fotodetektor. Disse plasmoners ekstremt korte bølgelængder og stærkt koncentrerede felter åbner nye steder for udvikling af miniaturiserede optoelektroniske THz-enheder.

Stråling i terahertz (THz) frekvensområdet tiltrækker stor interesse på grund af dets mangfoldige anvendelsespotentiale til ikke-destruktiv billeddannelse, næste generation af trådløs kommunikation eller sansning. Men stadig, det frembringende, detektering og styring af THz-stråling står over for adskillige teknologiske udfordringer. Især, de relativt lange bølgelængder (fra 30 til 300 mm) af THz-stråling kræver løsninger til integration af THz-enheder i nanoskala eller til registrerings- og billedbehandlingsapplikationer i nanoskala.

I de seneste år, graphene plasmonics er blevet en meget lovende platform til at skrumpe THz-bølger. Den er baseret på lysets interaktion med kollektive elektronsvingninger i grafen, giver anledning til elektromagnetiske bølger, der kaldes plasmoner. Grafenplasmonerne forplanter sig med stærkt reduceret bølgelængde og kan koncentrere THz-felter til subbølgelængdeskaladimensioner, mens plasmonerne selv kan styres elektrisk.

Nu, forskere ved CIC nanoGUNE (San Sebastian, Spanien) i samarbejde med ICFO (Barcelona, Spanien), IIT (Genova, Italien) - medlemmer af EU's Graphene Flagship - Columbia University (New York, USA), Radboud Universitet (Nijmegen, Holland), NIM (Tsukuba, Japan) og Neaspec (Martinsried, Tyskland) kunne visualisere stærkt komprimerede og indelukkede THz-plasmoner i en stuetemperatur THz-detektor baseret på grafen. For at se plasmonerne, de optog et kort i nanoskala over den fotostrøm, som detektoren producerede, mens en skarp metalspids blev scannet hen over den. Spidsen havde funktionen til at fokusere THz-belysningen til en pletstørrelse på omkring 50 nm, som er omkring 2000 gange mindre end belysningsbølgelængden. Denne nye billedbehandlingsteknik, kaldet THz fotostrøm nanoskopi, giver hidtil usete muligheder for at karakterisere optoelektroniske egenskaber ved THz-frekvenser.

Holdet optog fotostrømbilleder af grafendetektoren, mens den blev belyst med THz-stråling på omkring 100 mm bølgelængde. Billederne viste fotostrømsoscillationer, der afslørede, at THz-plasmoner med en mere end 50 gange reduceret bølgelængde forplantede sig i enheden, mens de producerede en fotostrøm.

"I begyndelsen var vi ret overraskede over den ekstremt korte plasmonbølgelængde, da THz grafen plasmoner typisk er meget mindre komprimerede", siger tidligere nanoGUNE-forsker Pablo Alonso, nu på universitetet i Oviedo, og første forfatter til værket. "Vi formåede at løse gåden ved teoretiske undersøgelser, som viste, at plasmonerne parrer sig med metalporten under grafenen", fortsætter han. "Denne kobling fører til en yderligere komprimering af plasmonerne og en ekstrem feltindeslutning, som kunne åbne døren mod forskellige detektor- og sensorapplikationer", tilføjer Rainer Hillenbrand, Ikerbaskisk forskningsprofessor og nanooptikgruppeleder ved nanoGUNE, der ledede forskningen. Plasmonerne viser også en lineær spredning - det betyder, at deres energi er proportional med deres momentum - hvilket kan være gavnligt for informations- og kommunikationsteknologier. Holdet analyserede også THz-plasmonernes levetid, som viste, at dæmpningen af ​​THz-plasmoner er bestemt af urenhederne i grafenen.

THz fotostrøm nanoskopi er afhængig af den stærke fototermoelektriske effekt i grafen, som transformerer varme genereret af THz-felter, inklusive THz-plasmoner, ind i en strøm. I fremtiden, den stærke termoelektriske effekt kunne også anvendes til on-chip THz plasmon detektion i grafen plasmoniske kredsløb. Teknikken til THz photocurrent nanoimaging kunne finde yderligere anvendelsespotentiale ud over plasmon imaging, for eksempel, til at studere de lokale THz optoelektroniske egenskaber af andre 2D materialer, klassiske 2D elektrongasser eller halvledernanostrukturer.