Mindste hulrum for lys realiseret af grafenplasmoner

Miniaturisering har aktiveret teknologi som smartphones, sundhedsure, medicinske sonder og nano-satellitter, alt utænkeligt for et par årtier siden. Forestil dig bare, at i løbet af 60 år, transistoren er skrumpet fra din håndflades størrelse til 14 nanometer i dimension, 1000 gange mindre end hårets diameter.

Miniaturisering har skubbet teknologien til en ny æra med optiske kredsløb. Men parallelt, det har også udløst nye udfordringer og forhindringer, for eksempel, styring og styring af lys i nanometerskalaen. Forskere leder efter teknikker til at begrænse lys til ekstremt små rum, millioner gange mindre end de nuværende. Undersøgelser havde tidligere fundet ud af, at metaller kan komprimere lys under bølgelængdeskalaen (diffraktionsgrænse).

I det aspekt, grafen, et materiale sammensat af et enkelt lag carbonatomer, som udviser usædvanlige optiske og elektriske egenskaber, er i stand til at lede lys i form af plasmoner, som er svingninger af elektroner, der stærkt interagerer med lys. Disse grafenplasmoner har en naturlig evne til at begrænse lys til meget små rum. Imidlertid, indtil nu, det var kun muligt at begrænse disse plasmoner i en retning, mens lysets faktiske evne til at interagere med små partikler som atomer og molekyler ligger i det volumen, som det kan komprimeres til. Denne type indeslutning i alle tre dimensioner betragtes almindeligvis som et optisk hulrum.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Videnskab , ICFO -forskere Itai Epstein, David Alcaraz, Varum-Varma Pusapati, Avinash Kumar, Tymofiy Khodkow, ledet af ICREA Prof. hos ICFO Frank Koppens, i samarbejde med forskere fra MIT, Duke University, Université Paris-Saclay, og Universidad do Minho, har bygget en ny type hulrum til grafenplasmoner ved at integrere metalliske terninger af nanometerstørrelser over et grafenark. Deres tilgang gjorde dem i stand til at realisere det mindste optiske hulrum, der nogensinde er bygget til infrarødt lys, baseret på disse plasmoner.

I deres forsøg brugte de sølv nanokuber på 50 nanometer i størrelse, som blev sprinklet tilfældigt oven på grafenarket uden noget specifikt mønster eller orientering. Dette tillod hver nanokube, sammen med grafen, at fungere som et enkelt hulrum. Derefter sendte de infrarødt lys gennem enheden og observerede, hvordan plasmonerne forplantede sig ind i rummet mellem metal -nanokuben og grafenet, komprimeres kun til det meget lille volumen.

Itai Epstein, første forfatter til undersøgelsen, siger, "Den største forhindring, vi stødte på i dette eksperiment, lå i, at lysets bølgelængde i det infrarøde område er meget stor, og terningerne er meget små, cirka 200 gange mindre, så det er ekstremt svært at få dem til at interagere med hinanden. "

For at overvinde dette, de brugte et særligt fænomen - da grafenplasmonerne interagerede med nanokuberne, de var i stand til at generere en magnetisk resonans. Epstein siger, "En unik egenskab ved magnetisk resonans er, at den kan fungere som en type antenne, der bygger bro mellem forskellen mellem nanokubens små dimensioner og lysets store skala."

Dermed, den genererede resonans bevarede plasmonerne, der bevægede sig mellem terningen og grafen i et meget lille volumen, som er 10 milliarder gange mindre end mængden af ​​almindeligt infrarødt lys, noget aldrig før opnået i optisk indespærring. Desuden, de var i stand til at se, at det eneste grafen-terninghulrum, når man interagerer med lyset, fungeret som en ny type nano-antenne, der er i stand til at sprede det infrarøde lys meget effektivt.

Resultaterne af undersøgelsen er yderst lovende for området molekylær og biologisk sansning, vigtigt for medicin, bioteknologi, madinspektion og endda sikkerhed, da denne tilgang er i stand til at intensivere det optiske felt betydeligt og dermed detektere molekylære materialer, som normalt reagerer på infrarødt lys.

Professor Koppens siger, "Denne præstation er af stor betydning, fordi den giver os mulighed for at justere plasmon -tilstandens volumen for at drive deres interaktion med små partikler, som molekyler eller atomer, og være i stand til at opdage og studere dem. Vi ved, at de infrarøde og terahertz -områder i det optiske spektrum giver værdifuld information om molekylers vibrationsresonanser, åbner muligheden for at interagere og detektere molekylære materialer samt bruge dette som en lovende sanseteknologi. "