La luz de terahercios de longitud de onda larga es invisible, está en el extremo más alejado del infrarrojo lejano, pero es útil para todo, desde la detección de explosivos en el aeropuerto hasta el diseño de medicamentos y el diagnóstico de cáncer de piel. Ahora, por primera vez, Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (Berkeley Lab) y la Universidad de California en Berkeley han demostrado un dispositivo a microescala hecho de grafeno, la forma notable de carbono que tiene solo un átomo de espesor, cuya fuerte respuesta a la luz a frecuencias de terahercios. se puede ajustar con exquisita precisión.

"El corazón de nuestro dispositivo es una matriz hecha de cintas de grafeno de solo millonésimas de metro de ancho, "dice Feng Wang de la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab, quien también es profesor asistente de física en UC Berkeley, y quién dirigió el equipo de investigación. "Al variar el ancho de las cintas y la concentración de portadores de carga en ellas, podemos controlar las oscilaciones colectivas de electrones en las microcintas ".

El nombre de tales oscilaciones colectivas de electrones es "plasmones, "una palabra que suena abstrusa pero que describe efectos tan familiares como los colores brillantes de las vidrieras.

"Los plasmones en luz visible de alta frecuencia ocurren en nanoestructuras metálicas tridimensionales, "Dice Wang. Los colores de las vidrieras medievales, por ejemplo, resultan de colecciones oscilantes de electrones en las superficies de nanopartículas de oro, cobre, y otros metales, y dependen de su tamaño y forma. "Pero el grafeno tiene solo un átomo de espesor, y sus electrones se mueven en solo dos dimensiones. En sistemas 2D, los plasmones se producen a frecuencias mucho más bajas ".

La longitud de onda de la radiación en terahercios se mide en cientos de micrómetros (millonésimas de metro), sin embargo, el ancho de las cintas de grafeno en el dispositivo experimental es solo de uno a cuatro micrómetros cada una.

"Un material que consta de estructuras con dimensiones mucho más pequeñas que la longitud de onda relevante, y que exhibe propiedades ópticas claramente diferentes del material a granel, se llama metamaterial, "dice Wang." Así que no solo hemos realizado los primeros estudios de acoplamiento de plasmón y luz en grafeno, también hemos creado un prototipo para futuros metamateriales basados ​​en grafeno en el rango de los terahercios ".

El equipo informa su investigación en Nanotecnología de la naturaleza , disponible en publicación avanzada en línea.

Cómo empujar los plasmones

En grafeno bidimensional, los electrones tienen una pequeña masa en reposo y responden rápidamente a los campos eléctricos. Un plasmón describe la oscilación colectiva de muchos electrones, y su frecuencia depende de la rapidez con la que las ondas en este mar de electrones se mueven de un lado a otro entre los bordes de una microcinta de grafeno. Cuando se aplica luz de la misma frecuencia, el resultado es "excitación resonante, "un marcado aumento en la fuerza de la oscilación - y una fuerte absorción simultánea de la luz a esa frecuencia. Dado que la frecuencia de las oscilaciones está determinada por el ancho de las cintas, variar su ancho puede sintonizar el sistema para absorber diferentes frecuencias de luz.

La fuerza del acoplamiento ligero-plasmón también puede verse afectada por la concentración de portadores de carga:electrones y sus contrapartes con carga positiva, agujeros. Una característica notable del grafeno es que la concentración de sus portadores de carga se puede aumentar o disminuir fácilmente simplemente aplicando un fuerte campo eléctrico, el llamado dopaje electrostático.

El dispositivo Berkeley incorpora estos dos métodos para ajustar la respuesta a la luz de terahercios. Las matrices de microfibras se hicieron depositando una capa de carbono de un átomo de espesor en una hoja de cobre, luego transfiriendo la capa de grafeno a un sustrato de óxido de silicio y grabando patrones de cinta en él. Sobre el grafeno se colocó un gel de iones con puntos de contacto para variar el voltaje.

La micromatriz de grafeno cerrada se iluminó con radiación de terahercios en la línea de luz 1.4 de la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab, y las mediciones de transmisión se realizaron con el espectrómetro infrarrojo de la línea de luz. De esta manera, el equipo de investigación demostró un acoplamiento entre la luz y los plasmones que eran más fuertes en un orden de magnitud que en otros sistemas 2D.

Un método final para controlar la fuerza del plasmón y la absorción de terahercios depende de la polarización. La luz que brilla en la misma dirección que las cintas de grafeno no muestra variaciones en la absorción según la frecuencia. Pero la luz en ángulo recto con las cintas, la misma orientación que el mar de electrones oscilantes, produce picos de absorción nítidos. Y lo que es más, absorción de luz en sistemas semiconductores 2D convencionales, como pozos cuánticos, solo se puede medir a temperaturas cercanas al cero absoluto. El equipo de Berkeley midió picos de absorción prominentes a temperatura ambiente.

"La radiación de terahercios cubre un rango espectral con el que es difícil trabajar, porque hasta ahora no ha habido herramientas, "dice Wang." Ahora tenemos los inicios de un conjunto de herramientas para trabajar en este rango, potencialmente conduciendo a una variedad de metamateriales de terahercios basados ​​en grafeno ".

La configuración experimental de Berkeley es solo un precursor de los dispositivos que vendrán, que podrá controlar la polarización y modificar la intensidad de la luz en terahercios y habilitar otros componentes ópticos y electrónicos, en aplicaciones desde imágenes médicas hasta astronomía, todo en dos dimensiones.