Onderzoekers van CIC nanoGUNE, in samenwerking met ICFO en Graphenea, hebben aangetoond hoe infrarood licht kan worden opgevangen door nanostructuren gemaakt van grafeen. Dit gebeurt wanneer licht koppelt om oscillaties in het grafeen op te laden. Het resulterende mengsel van licht- en ladingsoscillaties, genaamd plasmon, kan worden geperst in record-kleine volumes die miljoenen keren kleiner zijn dan in conventionele diëlektrische optische holtes. Dit proces is door de onderzoekers voor het eerst gevisualiseerd met behulp van een state-of-the-art, near-field microscoop en verklaard door theorie. De onderzoekers identificeerden twee soorten plasmonen - rand- en bladmodi - die zich langs het blad of langs de bladranden voortplanten. De randplasmonen zijn uniek vanwege hun vermogen om elektromagnetische energie in één dimensie te kanaliseren.

Het werk, gemeld in Natuurfotonica , opent nieuwe mogelijkheden voor ultrakleine en efficiënte fotodetectoren, sensoren en andere fotonische en opto-elektronische nanodevices.

Op grafeen gebaseerde technologieën maken extreem kleine optische nanodevices mogelijk. De golflengte van licht gevangen door een grafeenblad, een monolaag van koolstofatomen, kan met een factor 100 worden verkort in vergelijking met licht dat zich in de vrije ruimte voortplant. Als gevolg hiervan, het licht dat zich voortplant langs de grafeenplaat, dat grafeenplasmon wordt genoemd, veel minder ruimte nodig. Om die reden, fotonische apparaten kunnen veel kleiner worden gemaakt. De plasmonische veldconcentratie kan verder worden verbeterd door grafeen-nanostructuren te fabriceren die als nanoresonatoren voor de plasmonen werken. Het verbeterde veld is al toegepast in verbeterde infrarood- en terahertz-fotodetectie en infrarood-vibratiedetectie van moleculen, onder andere.

"De ontwikkeling van efficiënte apparaten op basis van plasmonische grafeen-nanoresonatoren zal in grote mate afhangen van nauwkeurig begrip en controle van de plasmonische modi erin, " zegt Dr. Pablo Alonso-Gonzalez, (nu aan de Universiteit van Oviedo) die de real-space beeldvorming van de grafeen-nanoresonatoren uitvoerde met een near-field-microscoop.

"We zijn sterk onder de indruk van de diversiteit aan plasmonische contrasten die zijn waargenomen in de nabije-veldbeelden, " zegt Dr. Alexey Nikitin, Ikerbasque Research Fellow bij nanoGUNE, die de theorie ontwikkelde om de individuele plasmonmodi te identificeren.

Het onderzoeksteam heeft de individuele plasmonische modi ontward en verdeeld in twee verschillende klassen. De eerste klasse van plasmonen - "sheet plasmons" - kan bestaan ​​"binnen" grafeen nanostructuren, strekt zich uit over het hele gebied van grafeen. Omgekeerd, de tweede klasse van plasmonen - "edge plasmons" - kan zich uitsluitend voortplanten langs de randen van grafeennanostructuren, wat leidt tot fluisterende galerijmodi in schijfvormige nanoresonatoren of Fabry-Perot-resonanties in grafeennanorechthoeken als gevolg van reflectie op hun hoeken. De randplasmonen zijn veel beter opgesloten dan de plaatplasmonen en, het belangrijkste, de energie in een enkele dimensie overbrengen.

De beelden in de echte ruimte onthullen dipolaire randmodi met een modusvolume dat 100 miljoen keer kleiner is dan een kubus van de vrije-ruimtegolflengte. De onderzoekers maten ook de dispersie (energie als een functie van momentum) van de randplasmonen op basis van hun nabije-veldbeelden, het benadrukken van de verkorte golflengte van randplasmonen in vergelijking met plaatplasmonen. Dankzij hun unieke eigenschappen, edge plasmons kunnen een veelbelovend platform zijn voor het koppelen van kwantumdots of afzonderlijke moleculen in toekomstige opto-elektronische kwantumapparaten.

"Onze resultaten bieden ook nieuwe inzichten in de fysica van nabije-veldmicroscopie van grafeenplasmonen, wat erg handig zou kunnen zijn voor het interpreteren van nabije-veldbeelden van andere licht-materie-interacties in tweedimensionale materialen, " zegt Ikerbasque Research Professor Rainer Hillenbrand die het project leidde.