Forskere presser lys ind i nanoskalaenheder og kredsløb

Da elektroniske enheder og kredsløb krymper til nanoskalaen, evnen til at overføre data på en chip, ved lav effekt med lidt energitab, er ved at blive en kritisk udfordring. I løbet af det sidste årti, klemme lys ind i små enheder og kredsløb har været et stort mål for nanofotoniske forskere. Elektroniske svingninger på overfladen af ​​metaller, kendt som overfladeplasmon polaritoner eller plasmoner for korte, er blevet et intenst fokusområde. Plasmoner er hybrider af lys (fotoner) og elektroner i et metal. Hvis forskere kan udnytte denne nanolight, de vil være i stand til at forbedre sansningen, bølgelængde under bølgelængde, og optisk transmission af signaler.

Columbia -efterforskere har gjort et stort gennembrud i denne forskning, med deres opfindelse af et nyt "hjemmebygget" kryogent nærfelt optisk mikroskop, der har gjort dem i stand til direkte at tage billeder, for første gang, udbredelse og dynamik af grafenplasmoner ved variable temperaturer ned til negative 250 grader Celsius. Undersøgelsen blev offentliggjort online i dag i Natur .

"Vores temperaturafhængige undersøgelse giver os nu direkte fysisk indsigt i plasmonformeringens grundlæggende fysik i grafen, "siger Dimitri N. Basov, professor i fysik ved Columbia University, der ledede undersøgelsen sammen med kollegerne Cory Dean (fysik) og James Hone (maskinteknik, Columbia Engineering). "Denne indsigt var umulig at opnå i tidligere nanoimaging -undersøgelser foretaget ved stuetemperatur. Vi var især overraskede over at opdage, efter mange års mislykkede forsøg på at komme tæt på, at kompakt nanolight kan rejse langs overfladen af ​​grafen i afstande på mange titalls mikron uden uønsket spredning. Fysikken, der begrænser nanolights rejseområde, er et grundlæggende fund i vores undersøgelse og kan føre til nye applikationer inden for sensorer, billeddannelse, og signalbehandling. "

Basov, Dekan, og Hone samler års erfaring i at arbejde med grafen, det et-atom-tykke materiale, der er en af ​​de mest lovende kandidater til nye fotoniske materialer. Grafens optiske egenskaber kan let indstilles og kan ændres ved ultrahurtige tidsskalaer. Imidlertid, implementering af nanolight uden at indføre uønsket spredning i grafen har været meget svært at opnå.

Columbia -forskerne udviklede en praktisk tilgang til at begrænse lys til nanoskalaen. De vidste, at de kunne danne plasmon-polaritoner, eller resonante tilstande, i den grafen, der formerer sig gennem materialet som hybrid excitationer af lys og mobile elektroner. Disse plasmon-polariton-tilstande kan begrænse energien fra elektromagnetisk stråling, eller lys, ned til nanoskalaen. Udfordringen var, hvordan man visualiserer disse bølger med ultrahøj rumlig opløsning, så de kunne studere ydeevnen af ​​plasmoniske tilstande ved varierende temperaturer.

Alexander S. McLeod, en postdoktoral forsker i Basov Nano-optics Laboratory, bygget et unikt mikroskop, der gjorde det muligt for teamet at udforske plasmon-polaritonbølgerne ved høj opløsning, mens de afkølede grafen til kryogene temperaturer. Sænkning af temperaturerne tillod dem at "slukke" forskellige spredning, eller spredning, mekanismer, den ene efter den anden, da de afkølede deres prøver og lærte, hvilke mekanismer der var relevante.

"Nu hvor vores nye nanoimaging -funktioner er implementeret til lave temperaturer, vi kan direkte se den uformindskede bølgefortplantning af kollektive lys- og ladnings-excitationer inden for grafen, "siger McLeod, medleder forfatter til undersøgelsen med Guangxin Ni, også en postdoktoral forsker i Basovs laboratorium. "Ofte i fysikken, som i livet, at se virkelig er at tro! Det rekordstore rejseområde for disse bølger viser, at de er bestemt til at leve et eget liv, kanalisering af signaler og information frem og tilbage inde i næste generations optiske enheder. "

Undersøgelsen er den første til at demonstrere de grundlæggende begrænsninger for spredning af plasmon polaritonbølger i grafen. Teamet fandt ud af, at grafenplasmoner formerer sig ballistisk, på tværs af mikrometer, i hele den lille enhed. Disse plasmon -tilstande er begrænset inden for et rumfang på hundredvis, hvis ikke tusinder, gange mindre end den, der optages af frit udbredt lys.

Plasmoner i grafen kan indstilles og styres via et eksternt elektrisk felt, hvilket giver grafen en stor fordel i forhold til konventionelle plasmoniske medier såsom metaloverflader, som i sagens natur ikke kan afstemmes. I øvrigt, nu viser det sig, at plasmonbølgernes levetid i grafen overstiger levetiden for metaller med en faktor 10 til 100, mens den formerer sig over forholdsvis længere afstande. Disse funktioner giver enorme fordele for grafen som plasmonisk medium i næste generations opto-elektroniske kredsløb.

"Our results establish that graphene ranks among the best candidate materials for infrared plasmonics, with applications in imaging, fornemmelse, and nano-scale manipulation of light, " says Hone. "Furthermore, our findings reveal the fundamental physics of processes that limit propagation of plasmon waves in graphene. This monumental insight will guide future efforts in nanostructure engineering, which may be able to remove the remaining roadblocks for long-range travel of versatile nanoconfined light within future optical devices."

The current study is the beginning of a series of low-temperature investigations focused on controlling and manipulating confined plasmons in nanoscale optoelectronic graphene devices. The team is now using low-temperature nanoimaging to explore novel plasmonics effects such as electrically-induced plasmonic reflection and modulation, topological chiral plasmons, and also superconducting plasmonics in the very recently discovered "magic angle" system of twisted bilayer graphene.

The study is titled "Fundamental limits to graphene plasmonics."