Termisk manipulation af plasmoner i atomisk tynde film

Overfladeplasmoner i grafen er blevet bredt undersøgt i det sidste årti på grund af deres meget tiltalende egenskaber, såsom den stærke tunbarhed af dets optiske egenskaber gennem elektrisk gating og den relativt høje plasmonlevetid. Imidlertid, disse ekstraordinære egenskaber er begrænset til lavere frekvenser, der spænder fra de midt-infrarøde (midt-IR) til de terahertz (THz) spektralområder. Derudover elektrisk afstemning af grafen kan ikke opnås på en ultrahurtig måde, hvad der udgør en hindring for dets anvendelse i højhastighedsteknologiske enheder, der bliver stadig vigtigere.

I et nyt blad udgivet i Lysvidenskab og anvendelse , et team fra ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques (Barcelona, Spanien) har foreslået en helt optisk teknik til at modulere den plasmoniske respons af grafen- og/eller tyndmetalbaserede systemer på en ultrahurtig måde, i et spektrum, der spænder fra mid-infrarød til synlige (vis-NIR) frekvenser. De foreslår en pumpesonde-opsætning, hvor en ultrahurtig og meget intens pumpestråle bruges til at opvarme elektronerne i grafen. Baseret på den lave varmekapacitet af dette 2D-materiale - hvilket betyder, at en lille mængde energi absorberet af dette materiale kan inducere en stor stigning i temperaturen på dets elektroner - og på den stærke afhængighed af grafens ledningsevne med dets elektroniske temperatur, de optiske egenskaber af systemet vil blive moduleret af den elektroniske temperaturstigning, og dette kan måles af sondestrålen.

Interessant nok, denne teknik kan bruges til helt optisk at excitere plasmoner ikke kun i grafenarket, men også i et tyndt metallisk lag placeret i nærheden af ​​det. Efter et tidligere arbejde af samme gruppe, de foreslår at gøre det ved at konstruere en pumpestråle således, at dens bølgefrontintensitet varierer rumligt på en periodisk måde. Som sådan, den elektroniske temperatur i grafen (og efterfølgende dets ledningsevne) varierer også lokalt i arkets overflade, fungerer som et effektivt gitter, der spreder sondestrålen og kobler den til plasmoner. Afhængigt af sondestrålens bølgelængde og tilstedeværelsen af ​​en tynd metallisk film i nærheden af ​​grafenarket, denne teknik kan bruges til at excitere enten grafenplasmoner (midt-IR), metalliske plasmoner (vis-NIR) eller hybrid akustiske plasmoner (THz). "På denne måde man kan ophidse og manipulere plasmoner i et bredt spektralområde uden behov for lateral mønster eller brug af eksterne enheder, som SNOM-tips, at parre formerende lys til plasmoner, " tilføjede forfatterne.

På en anden måde, forfatterne foreslår at anvende fototermiske effekter i nanoskala for at opnå ultrahurtig modulering af lys. De forestiller sig en struktur bestående af et tyndt metallisk gitter på toppen af ​​et grafenark, der er dopet til et eller andet Fermi-niveau. Derefter, ved at øge temperaturen på grafenelektronerne via en pumpestråle, det kemiske potentiale af grafen vil falde, og interband-overgangene i grafen vil blive betydelige ved lavere energier, og vil slukke den plasmoniske top målt ved refleksion af en sondestråle. "Temperaturen af ​​grafenelektroner kan opnå flere tusinde kelviner, hvilket resulterer i en dæmpning af refleksionstoppen på op til 70 %, " hævder forfatterne. En lignende effekt kan observeres i grafen akustiske plasmoner, men i dette tilfælde er årsagen til quenchingen stigningen i grafen-uelastiske tab med den elektroniske temperatur. "I begge tilfælde moduleringen af ​​den optiske respons er ultrahurtig, i modsætning til alternative måder at modulere svaret på, såsom elektrisk ændring af Fermi-niveauet af grafen, " tilføjede forfatterne.

"Vores undersøgelse åbner en lovende vej mod den aktive fototermiske manipulation af den optiske respons i atomisk tynde materialer med potentielle anvendelser i ultrahurtig lysmodulation, "konkluderer forfatterne.