Oppervlakteplasmonen in grafeen zijn het afgelopen decennium uitgebreid bestudeerd vanwege hun zeer aantrekkelijke eigenschappen, zoals de sterke afstembaarheid van zijn optische eigenschappen door middel van elektrische poorten en de relatief hoge levensduur van het plasmon. Echter, deze uitzonderlijke eigenschappen zijn beperkt tot lagere frequenties, variërend van de midden-infrarood (mid-IR) tot de terahertz (THz) spectrale gebieden. Aanvullend, elektrische afstembaarheid van grafeen kan niet op een ultrasnelle manier worden bereikt, wat een obstakel vormt voor de toepassing ervan in high-speed technologische apparaten die steeds belangrijker worden.

In een nieuw artikel gepubliceerd in Lichtwetenschap en toepassing , een team van ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques (Barcelona, Spanje) heeft een volledig optische techniek voorgesteld om de plasmonische respons van op grafeen en/of dunne metalen gebaseerde systemen op een ultrasnelle manier te moduleren, in een spectrum variërend van midden-infrarood tot zichtbare (vis-NIR) frequenties. Ze stellen een pomp-sonde-opstelling voor waarbij een ultrasnelle en zeer intense pompstraal wordt gebruikt om de elektronen van het grafeen te verwarmen. Gebaseerd op de lage warmtecapaciteit van dit 2D-materiaal - wat betekent dat een kleine hoeveelheid energie die door dit materiaal wordt geabsorbeerd, een grote temperatuurstijging van zijn elektronen kan veroorzaken - en op de sterke afhankelijkheid van de geleidbaarheid van grafeen met zijn elektronische temperatuur, de optische eigenschappen van het systeem worden gemoduleerd door de elektronische temperatuurstijging, en dit kan worden gemeten door de sondestraal.

interessant, deze techniek kan worden gebruikt om plasmonen volledig optisch te exciteren, niet alleen in de grafeenplaat, maar ook in een dunne metalen laag die ernaast is geplaatst. Na een eerder werk van dezelfde groep, ze stellen voor om dit te doen door een pompbundel zo te ontwerpen dat de intensiteit van het golffront op een periodieke manier ruimtelijk varieert. Als zodanig, de elektronische temperatuur in grafeen (en vervolgens de geleidbaarheid) varieert ook lokaal in het oppervlak van de plaat, fungeren als een effectief rooster dat de sondebundel verstrooit en koppelt aan plasmonen. Afhankelijk van de golflengte van de sondestraal en de aanwezigheid van een metalen dunne film nabij de grafeenplaat, deze techniek kan worden gebruikt om grafeenplasmonen te exciteren (mid-IR), metaalplasmonen (vis-NIR) of hybride akoestische plasmonen (THz). "Op deze manier, men kan plasmonen in een breed spectraal bereik opwekken en manipuleren zonder de noodzaak van laterale patronen of het gebruik van externe apparaten, zoals SNOM-tips, om zich voortplantend licht te koppelen tot plasmonen, " voegden de auteurs eraan toe.

Even iets anders, de auteurs stellen voor om fotothermische effecten op nanoschaal toe te passen om ultrasnelle modulatie van licht te bereiken. Ze stellen zich een structuur voor die bestaat uit een dun metalen rooster bovenop een grafeenvel dat is gedoteerd tot een bepaald Fermi-niveau. Vervolgens, door de temperatuur van de grafeenelektronen te verhogen via een pompstraal, het chemische potentieel van grafeen zal afnemen, en de interbandovergangen in grafeen zullen significant worden bij lagere energieën, en zal de plasmonische piek, gemeten door de reflectie van een sondebundel, doven. "De temperatuur van grafeenelektronen kan enkele duizenden Kelvin bereiken, resulterend in een demping van de reflectiepiek tot 70%, " beweren de auteurs. Een soortgelijk effect kan worden waargenomen in akoestische plasmonen van grafeen, maar in dit geval is de reden voor het blussen de toename van de inelastische verliezen van grafeen met de elektronische temperatuur. "In beide gevallen, de modulatie van de optische respons is ultrasnel, in tegenstelling tot alternatieve manieren om de respons te moduleren, zoals het elektrisch veranderen van het Fermi-niveau van grafeen, " voegden de auteurs eraan toe.

"Onze studie opent een veelbelovende weg naar de actieve fotothermische manipulatie van de optische respons in atomair dunne materialen met mogelijke toepassingen in ultrasnelle lichtmodulatie, ’ concluderen de auteurs.