Onderzoekers ontwikkelden een techniek voor het afbeelden van THz-fotostromen met een resolutie op nanoschaal, en paste het toe om sterk gecomprimeerde THz-golven (plasmonen) in een grafeenfotodetector te visualiseren. De extreem korte golflengten en sterk geconcentreerde velden van deze plasmonen openen nieuwe wegen voor de ontwikkeling van geminiaturiseerde opto-elektronische THz-apparaten.

Straling in het terahertz (THz) frequentiebereik trekt grote belangstelling vanwege het veelvuldige toepassingspotentieel voor niet-destructieve beeldvorming, draadloze communicatie of detectie van de volgende generatie. Maar nog steeds, het genereren, het detecteren en beheersen van THz-straling staat voor tal van technologische uitdagingen. Bijzonder, de relatief lange golflengten (van 30 tot 300 mm) van THz-straling vereisen oplossingen voor de integratie van THz-apparaten op nanoschaal of voor detectie- en beeldvormingstoepassingen op nanoschaal.

In recente jaren, grafeenplasmonica is een veelbelovend platform geworden voor krimpende THz-golven. Het is gebaseerd op de interactie van licht met collectieve elektronenoscillaties in grafeen, die aanleiding geven tot elektromagnetische golven die plasmonen worden genoemd. De grafeenplasmonen planten zich voort met een sterk verminderde golflengte en kunnen THz-velden concentreren tot subgolflengteschaaldimensies, terwijl de plasmonen zelf elektrisch kunnen worden gecontroleerd.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van CIC nanoGUNE (San Sebastian, Spanje) in samenwerking met ICFO (Barcelona, Spanje), IIT (Genua, Italië) - leden van het EU Graphene Flagship - Columbia University (New York, VS), Radboud Universiteit (Nijmegen, Nederland), NIM (Tsukuba, Japan) en Neaspec (Martinsried, Duitsland) konden sterk gecomprimeerde en opgesloten THz-plasmonen visualiseren in een THz-detector op kamertemperatuur op basis van grafeen. Om de plasmonen te zien, ze namen een kaart op nanoschaal op van de fotostroom die de detector produceerde terwijl een scherpe metalen punt eroverheen werd gescand. De punt had de functie om de THz-verlichting te focussen op een spotgrootte van ongeveer 50 nm, die ongeveer 2000 keer kleiner is dan de golflengte van de verlichting. Deze nieuwe beeldvormingstechniek, genaamd THz fotostroom nanoscopie, biedt ongekende mogelijkheden voor het karakteriseren van opto-elektronische eigenschappen bij THz-frequenties.

Het team nam fotostroombeelden op van de grafeendetector, terwijl het werd verlicht met THz-straling met een golflengte van ongeveer 100 mm. De afbeeldingen toonden fotostroomoscillaties, waaruit bleek dat THz-plasmonen met een meer dan 50 keer gereduceerde golflengte zich in het apparaat voortplantten terwijl ze een fotostroom produceerden.

"In het begin waren we nogal verbaasd over de extreem korte plasmongolflengte, omdat THz-grafeenplasmonen doorgaans veel minder gecomprimeerd zijn", zegt voormalig nanoGUNE-onderzoeker Pablo Alonso, nu aan de Universiteit van Oviedo, en eerste auteur van het werk. "We zijn erin geslaagd om de puzzel op te lossen door theoretische studies, waaruit bleek dat de plasmonen koppelen met de metalen poort onder het grafeen", hij gaat door. "Deze koppeling leidt tot een extra compressie van de plasmonen en een extreme veldopsluiting, die de deur zou kunnen openen naar verschillende detector- en sensortoepassingen", voegt Rainer Hillenbrand toe, Ikerbasque Research Professor en Nanooptics Group Leader bij nanoGUNE die het onderzoek leidde. De plasmonen vertonen ook een lineaire dispersie - dat betekent dat hun energie evenredig is met hun momentum - wat gunstig kan zijn voor informatie- en communicatietechnologieën. Het team analyseerde ook de levensduur van de THz-plasmonen, waaruit bleek dat de demping van THz-plasmonen wordt bepaald door de onzuiverheden in het grafeen.

THz-fotostroomnoscopie is gebaseerd op het sterke fotothermo-elektrische effect in grafeen, die warmte transformeert die wordt gegenereerd door THz-velden, waaronder die van THz-plasmonen, in een stroom. In de toekomst, het sterke thermo-elektrische effect zou ook kunnen worden toegepast voor on-chip THz-plasmondetectie in grafeenplasmonische circuits. De techniek voor THz-fotostroom-nanobeeldvorming zou verder toepassingspotentieel kunnen vinden dan plasmonbeeldvorming, bijvoorbeeld, voor het bestuderen van de lokale THz opto-elektronische eigenschappen van andere 2D-materialen, klassieke 2D elektronengassen of halfgeleider nanostructuren.