In een nieuwe studie heeft een internationaal onderzoeksteam onder leiding van de Universiteit van Wenen aangetoond dat structuren die rond een enkele laag grafeen zijn gebouwd, sterke optische niet-lineariteiten mogelijk maken die licht kunnen omzetten. Het team bereikte dit door gouden linten van nanometerformaat te gebruiken om licht te persen, in de vorm van plasmonen, in atomair dun grafeen. De resultaten, die zijn gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie zijn veelbelovend voor een nieuwe familie van ultrakleine afstembare niet-lineaire apparaten.

In de laatste jaren, er is een gezamenlijke inspanning geleverd om plasmonische apparaten te ontwikkelen om licht te manipuleren en door te sturen via apparaten van nanometerformaat. Tegelijkertijd, het is aangetoond dat niet-lineaire interacties sterk kunnen worden verbeterd door plasmonen te gebruiken, die kan ontstaan ​​wanneer licht interageert met elektronen in een materiaal. In een plasmon, licht is gebonden aan elektronen op het oppervlak van een geleidend materiaal, waardoor plasmonen veel kleiner zijn dan het licht dat ze oorspronkelijk heeft gecreëerd. Dit kan leiden tot extreem sterke niet-lineaire interacties. Echter, plasmonen worden meestal gemaakt op het oppervlak van metalen, waardoor ze zeer snel vergaan, het beperken van zowel de plasmonpropagatielengte als niet-lineaire interacties. In dit nieuwe werk de onderzoekers laten zien dat de lange levensduur van plasmonen in grafeen en de sterke niet-lineariteit van dit materiaal deze uitdagingen kunnen overwinnen.

In hun experiment hebben het onderzoeksteam onder leiding van Philip Walther aan de Universiteit van Wenen (Oostenrijk), in samenwerking met onderzoekers van het Barcelona Institute of Photonic Sciences (Spanje), de Universiteit van Zuid-Denemarken, de Universiteit van Montpellier, en het Massachusetts Institute of Technology (VS) gebruikten stapels tweedimensionale materialen, heterostructuren genoemd, om een ​​niet-lineair plasmonapparaat op te bouwen. Ze namen een enkele atomaire laag grafeen en legden er een reeks metalen nanoribbons op af. De metalen linten vergrootten het invallende licht in de grafeenlaag, omzetten in grafeenplasmonen. Deze plasmonen werden vervolgens gevangen onder de gouden nanoribbons, en produceerde licht van verschillende kleuren via een proces dat bekend staat als harmonische generatie. De wetenschappers bestudeerden het gegenereerde licht, en liet zien dat de niet-lineaire interactie tussen de grafeenplasmonen was cruciaal om de harmonische generatie te beschrijven. Volgens Irati Alonso Calafell, de hoofdauteur van het artikel, "We hebben aangetoond dat de relatief eenvoudige gouden nanoribbons tegelijkertijd de niet-lineariteit van grafeen kunnen verbeteren, wekken grafeenplasmonen op, en creëer een plasmonische holte."

Hoewel het veld van grafeenplasmonica nog in de kinderschoenen staat, de onderzoekers zijn ervan overtuigd dat deze resultaten kunnen worden gebruikt om nieuwe fysica in grafeenheterostructuren te onderzoeken, en leiden tot een verscheidenheid aan toepassingen. Lee Rozema, een van de wetenschappers die aan het project werkt, zei:"ons team in Wenen heeft eerder voorgesteld dat niet-lineaire interacties gemedieerd door grafeenplasmonen kunnen worden gebruikt voor kwantumcomputers, en nu hebben we experimentele bevestiging gegeven dat deze plasmonen inderdaad niet-lineair kunnen interageren." Het team is van plan te blijven aandringen op nog efficiëntere grafeenheterostructuren, door te experimenteren met nieuwe metaalgeometrieën en door gebruik te maken van verschillende soorten niet-lineaire interacties.