Når mindre er mere:Et enkelt lag af atomer booster den ikke-lineære generering af lys

I en ny undersøgelse har et internationalt forskerhold ledet af universitetet i Wien vist, at strukturer bygget omkring et enkelt lag grafen giver mulighed for stærke optiske ikke-lineariteter, der kan konvertere lys. Holdet opnåede dette ved at bruge guldbånd i nanometerstørrelse til at klemme lys, i form af plasmoner, til atomisk tynd grafen. Resultaterne, som er udgivet i Natur nanoteknologi lover for en ny familie af ultrasmå, justerbare ikke-lineære enheder.

I de sidste år, der er gjort en fælles indsats for at udvikle plasmoniske enheder til at manipulere og transmittere lys gennem nanometer-størrelse enheder. På samme tid, det har vist sig, at ikke-lineære interaktioner kan forbedres meget ved at bruge plasmoner, som kan opstå, når lys interagerer med elektroner i et materiale. I en plasmon, lys er bundet til elektroner på overfladen af ​​et ledende materiale, lader plasmoner være meget mindre end det lys, der oprindeligt skabte dem. Dette kan føre til ekstremt stærke ikke-lineære interaktioner. Imidlertid, plasmoner dannes typisk på overfladen af ​​metaller, hvilket får dem til at henfalde meget hurtigt, begrænser både plasmonudbredelseslængden og ikke-lineære interaktioner. I dette nye værk, forskerne viser, at den lange levetid for plasmoner i grafen og den stærke ikke-linearitet af dette materiale kan overvinde disse udfordringer.

I deres eksperiment, forskerholdet ledet af Philip Walther ved universitetet i Wien (Østrig), i samarbejde med forskere fra Barcelona Institute of Photonic Sciences (Spanien), Syddansk Universitet, universitetet i Montpellier, og Massachusetts Institute of Technology (USA) brugte stakke af todimensionelle materialer, kaldet heterostrukturer, at opbygge en ikke-lineær plasmonisk enhed. De tog et enkelt atomlag af grafen og afsatte en række metalliske nanobånd på det. Metalbåndene forstørrede det indkommende lys i grafenlaget, omdanne det til grafen plasmoner. Disse plasmoner blev derefter fanget under guld nanobåndene, og producerede lys af forskellige farver gennem en proces kendt som harmonisk generering. Forskerne studerede det genererede lys, og viste, at den ikke-lineære interaktion mellem grafen-plasmonerne var afgørende for at beskrive den harmoniske generation. Ifølge Irati Alonso Calafell, avisens hovedforfatter, "Vi har vist, at de relativt simple guld nanobånd samtidig kan forbedre grafens ikke-linearitet, ophidse grafen plasmoner, og skab et plasmonisk hulrum."

Selvom området for grafenplasmonik stadig er i sin vorden, forskerne er sikre på, at disse resultater kan bruges til at undersøge ny fysik i grafen-heterostrukturer, og føre til en række applikationer. Lee Rozema, en af ​​de videnskabsmænd, der arbejder på projektet, sagde "vores team i Wien har tidligere foreslået, at ikke-lineære interaktioner medieret af grafenplasmoner kunne bruges til kvanteberegning, og nu har vi givet en eksperimentel bekræftelse på, at disse plasmoner faktisk kan interagere ikke-lineært." Holdet planlægger at blive ved med at presse på for endnu mere effektive grafen-heterostrukturer, ved at eksperimentere med nye metalgeometrier og udnytte forskellige typer ikke-lineære interaktioner.