Met een straal van infrarood licht, wetenschappers hebben rimpelingen van elektronen langs het oppervlak van grafeen gestuurd en aangetoond dat ze de lengte en hoogte van deze oscillaties kunnen regelen, plasmonen genoemd, met behulp van een eenvoudig elektrisch circuit.

Dit is de eerste keer dat iemand plasmonen op grafeen heeft waargenomen, koolstofplaten van slechts één atoom dik met een groot aantal intrigerende fysische eigenschappen, en een belangrijke stap in de richting van het gebruik van plasmonen om informatie te verwerken en te verzenden in ruimtes die te krap zijn om licht te gebruiken.

"Iedereen vermoedde dat er plasmonen zouden moeten zijn, maar zien is geloven. We hebben ze in beeld gebracht en laten zien dat ze zich voortplanten. En we hebben aangetoond dat we ze kunnen beheersen, " zei Dimitri Basov, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Californië, San Diego, en senior auteur van het rapport online gepubliceerd 21 juni voorafgaand aan gedrukte publicatie in Natuur .

Om de apparaten te maken, ze pelden grafeen van grafiet, het spul van potlood, en wreef het op siliciumdioxidechips.

Ze lanceerden plasmonen door een infraroodlaser op het oppervlak van het grafeen te laten schijnen en maten de golven met behulp van de ultragevoelige arm van een atoomkrachtmicroscoop.

De uitgaande golven zijn niet te meten. Maar als ze de rand van het grafeen bereiken, ze weerkaatsen als watergolven van het kielzog van een boot die van een pier stuitert.

Oscillaties die terugkeren van de rand dragen bij aan, of annuleren, volgende golven, het creëren van een karakteristiek interferentiepatroon dat hun golflengte en amplitude onthult.

De wetenschappers toonden aan dat het patroon kan worden veranderd door een elektrisch circuit te besturen dat is gevormd met elektroden die aan het grafeenoppervlak zijn bevestigd en een laag puur silicium onder de chips.

"Hier is het, "Zei Basov. "Je haalt gewoon een batterij uit een zaklamp en zet de spanning op en je hebt een afstembaar plasmonisch apparaat."

Net zoals licht complexe signalen kan transporteren via glasvezel, plasmonen kunnen worden gebruikt om informatie over te dragen. Maar plasmonen kunnen informatie binnen veel nauwere ruimtes vervoeren.

"Het is onmogelijk om licht op nanometerschaal te beperken, omdat lichtgolflengten vele honderden nanometers zijn, " zei Zhe Fei, een afgestudeerde student in het laboratorium van Basov en de eerste auteur van het artikel. "We gebruikten licht om oppervlakteplasmonen te exciteren met een lengteschaal van 100 nanometer of minder die met zeer hoge snelheid van de ene kant van de chip naar de andere kunnen reizen."

De prestatie die ze hebben waargenomen is veelbelovend. Dit zijn enkele van de kortste plasmongolflengten gemeten in elk materiaal, toch planten de golven zich zo ver voort als ze doen in metalen zoals goud. En in tegenstelling tot plasmonen op metalen, grafeenplasmonen kunnen worden afgestemd.

Een team van wetenschappers die onafhankelijk werken in Spanje onder leiding van Frank Koppens, Rainer Hillenbrand en Javier Garcia de Abajo hebben een soortgelijke ontdekking gedaan met behulp van grafeenfilm die is afgezet door een gas in plaats van gepeld uit grafiet. hun rapport, gepubliceerd in hetzelfde nummer van Natuur , versterkt dit bewijs voor grafeenplasmonen.

"Grafeenopto-elektronica en informatieverwerking zijn veelbelovend. We zien graag dat ons werk bijdraagt ​​aan toekomstige technologie, " zei Basov. "Er is ook een geheel nieuwe, fundamentele wetenschap die hieruit voortkomt. Door plasmonen te monitoren, we leren wat elektronen doen in deze nieuwe vorm van koolstof, hoe fundamentele interacties hun eigenschappen bepalen. Dit is een pad van onderzoek."