Naarmate elektronische apparaten en circuits krimpen tot op nanoschaal, de mogelijkheid om gegevens op een chip over te dragen, bij laag vermogen met weinig energieverlies, wordt een cruciale uitdaging. In het afgelopen decennium is licht in kleine apparaten en circuits persen was een belangrijk doel van nanofotonica-onderzoekers. Elektronische trillingen aan het oppervlak van metalen, bekend als oppervlakteplasmon polaritons of kortweg plasmons, zijn een intens aandachtsgebied geworden. Plasmonen zijn hybriden van licht (fotonen) en elektronen in een metaal. Als onderzoekers dit nanolicht kunnen benutten, ze zullen in staat zijn om de waarneming te verbeteren, subgolflengte golfgeleiding, en optische overdracht van signalen.

Columbia-onderzoekers hebben een grote doorbraak bereikt in dit onderzoek, met hun uitvinding van een nieuwe "zelfgebouwde" cryogene nabije-veld optische microscoop waarmee ze direct beelden kunnen maken, Voor de eerste keer, de voortplanting en dynamiek van grafeenplasmonen bij variabele temperaturen tot min 250 graden Celsius. De studie is vandaag online gepubliceerd in Natuur .

"Onze temperatuurafhankelijke studie geeft ons nu direct fysiek inzicht in de fundamentele fysica van plasmonvoortplanting in grafeen, " zegt Dimitri N. Basov, hoogleraar natuurkunde aan de Columbia University, die samen met collega's Cory Dean (natuurkunde) en James Hone (werktuigbouwkunde, Colombia Engineering). "Dit inzicht was onmogelijk te bereiken in eerdere nano-imaging-onderzoeken die bij kamertemperatuur werden uitgevoerd. We waren vooral verrast toen we ontdekten, na vele jaren van mislukte pogingen om in de buurt te komen, dat compacte nanolicht over het oppervlak van grafeen kan reizen over afstanden van vele tientallen microns zonder ongewenste verstrooiing. De fysica die het reisbereik van nanolicht beperkt, is een fundamentele bevinding van onze studie en kan leiden tot nieuwe toepassingen in sensoren, in beeld brengen, en signaalverwerking."

Basov, Decaan, and Hone bundelen jarenlange ervaring in het werken met grafeen, het één-atoom dik materiaal dat een van de meest veelbelovende kandidaten is voor nieuwe fotonische materialen. De optische eigenschappen van grafeen zijn gemakkelijk af te stemmen en kunnen op ultrasnelle tijdschalen worden gewijzigd. Echter, het implementeren van nanolight zonder ongewenste dissipatie in grafeen te introduceren, was erg moeilijk te bereiken.

De onderzoekers van Columbia ontwikkelden een praktische benadering om licht te beperken tot nanoschaal. Ze wisten dat ze plasmon-polaritonen konden vormen, of resonantiemodi, in het grafeen dat zich door het materiaal voortplant als hybride excitaties van licht en mobiele elektronen. Deze plasmon-polariton-modi kunnen de energie van elektromagnetische straling beperken, of licht, tot op nanoschaal. De uitdaging was hoe deze golven te visualiseren met een ultrahoge ruimtelijke resolutie, zodat ze de prestaties van plasmonische modi bij verschillende temperaturen konden bestuderen.

Alexander S. McLeod, een postdoctoraal onderzoeker in het Basov Nano-optics Laboratory, bouwde een unieke microscoop waarmee het team de plasmon-polaritongolven met hoge resolutie kon onderzoeken terwijl ze het grafeen afkoelden tot cryogene temperaturen. Door de temperaturen te verlagen, konden ze verschillende verstrooiing "uitzetten", of dissipatie, mechanismen, de een na de ander, terwijl ze hun monsters afkoelden en leerden welke mechanismen relevant waren.

"Nu onze nieuwe mogelijkheden voor nano-imaging worden ingezet bij lage temperaturen, we kunnen direct de regelrechte golfvoortplanting zien van collectieve licht-en-lading-excitaties in grafeen, " zegt McLeod, co-hoofdauteur van de studie met Guangxin Ni, ook een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Basov. "Vaak in de natuurkunde, zoals in het leven, zien is echt geloven! Het recordbrekende reisbereik van deze golven laat zien dat ze voorbestemd zijn om een ​​eigen leven te gaan leiden. signalen en informatie heen en weer te leiden in optische apparaten van de volgende generatie."

De studie is de eerste die de fundamentele beperkingen voor de voortplanting van plasmonpolaritongolven in grafeen aantoont. Het team ontdekte dat grafeenplasmonen zich ballistisch voortplanten, over tientallen micrometers, door het hele kleine apparaat. Deze plasmonmodi zijn beperkt tot een ruimte van honderden, zo niet duizenden, maal kleiner dan die ingenomen door vrij verspreidend licht.

Plasmonen in grafeen kunnen worden afgestemd en gecontroleerd via een extern elektrisch veld, wat grafeen een groot voordeel geeft ten opzichte van conventionele plasmonische media zoals metalen oppervlakken, die inherent niet-afstembaar zijn. Bovendien, de levensduur van plasmongolven in grafeen blijkt nu die in metalen met een factor 10 tot 100 te overschrijden, terwijl ze zich over relatief grotere afstanden voortplanten. Deze eigenschappen bieden enorme voordelen voor grafeen als plasmonisch medium in opto-elektronische circuits van de volgende generatie.

"Our results establish that graphene ranks among the best candidate materials for infrared plasmonics, with applications in imaging, voelen, and nano-scale manipulation of light, " says Hone. "Furthermore, our findings reveal the fundamental physics of processes that limit propagation of plasmon waves in graphene. This monumental insight will guide future efforts in nanostructure engineering, which may be able to remove the remaining roadblocks for long-range travel of versatile nanoconfined light within future optical devices."

The current study is the beginning of a series of low-temperature investigations focused on controlling and manipulating confined plasmons in nanoscale optoelectronic graphene devices. The team is now using low-temperature nanoimaging to explore novel plasmonics effects such as electrically-induced plasmonic reflection and modulation, topological chiral plasmons, and also superconducting plasmonics in the very recently discovered "magic angle" system of twisted bilayer graphene.

The study is titled "Fundamental limits to graphene plasmonics."