Investigadores de CIC nanoGUNE, en colaboración con ICFO y Graphenea, han demostrado cómo la luz infrarroja puede ser capturada por nanoestructuras hechas de grafeno. Esto sucede cuando la luz se acopla para cargar oscilaciones en el grafeno. La mezcla resultante de oscilaciones de luz y carga, llamado plasmón, puede comprimirse en volúmenes récord, millones de veces más pequeños que en las cavidades ópticas dieléctricas convencionales. Este proceso ha sido visualizado por los investigadores por primera vez con la ayuda de un estado de la técnica, microscopio de campo cercano y explicado por la teoría. Los investigadores identificaron dos tipos de plasmones, modos de borde y de hoja, que se propagan a lo largo de la hoja o a lo largo de los bordes de la hoja. Los plasmones de borde son únicos por su capacidad para canalizar energía electromagnética en una dimensión.

La obra, reportado en Fotónica de la naturaleza , abre nuevas oportunidades para fotodetectores ultrapequeños y eficientes, sensores y otros nanodispositivos fotónicos y optoelectrónicos.

Las tecnologías basadas en grafeno permiten nanodispositivos ópticos extremadamente pequeños. La longitud de onda de la luz capturada por una hoja de grafeno, una hoja monocapa de átomos de carbono, se puede acortar en un factor de 100 en comparación con la luz que se propaga en el espacio libre. Como consecuencia, la luz que se propaga a lo largo de la hoja de grafeno, que se llama plasmón de grafeno, requiere mucho menos espacio. Por esta razón, Los dispositivos fotónicos se pueden hacer mucho más pequeños. La concentración del campo plasmónico se puede mejorar aún más mediante la fabricación de nanoestructuras de grafeno que actúan como nanoresonadores de los plasmones. El campo mejorado ya ha encontrado aplicación en fotodetección mejorada de infrarrojos y terahercios y detección vibratoria infrarroja de moléculas. entre otras cosas.

“El desarrollo de dispositivos eficientes basados ​​en nanoresonadores de grafeno plasmónico dependerá fundamentalmente de la comprensión y el control precisos de los modos plasmónicos dentro de ellos, "dice el Dr. Pablo Alonso-González, (ahora en la Universidad de Oviedo) que realizó la imagen en el espacio real de los nanoresonadores de grafeno con un microscopio de campo cercano.

"Nos ha impresionado mucho la diversidad de contrastes plasmónicos observados en las imágenes de campo cercano, "dice el Dr. Alexey Nikitin, Investigador Ikerbasque en nanoGUNE, quien desarrolló la teoría para identificar los modos de plasmón individuales.

El equipo de investigación ha desenredado los modos plasmónicos individuales y los ha separado en dos clases diferentes. La primera clase de plasmones, "plasmones en láminas", puede existir "dentro" de nanoestructuras de grafeno, extendiéndose por toda el área de grafeno. En cambio, la segunda clase de plasmones - "plasmones de borde" - puede propagarse exclusivamente a lo largo de los bordes de nanoestructuras de grafeno, lo que lleva a modos de galería susurrantes en nanoresonadores en forma de disco o resonancias de Fabry-Perot en nanorrectángulos de grafeno debido a la reflexión en sus esquinas. Los plasmones de borde están mucho mejor confinados que los plasmones de hoja y, Más importante, transferir la energía en una sola dimensión.

Las imágenes del espacio real revelan modos de borde dipolar con un volumen de modo que es 100 millones de veces más pequeño que un cubo de la longitud de onda del espacio libre. Los investigadores también midieron la dispersión (energía en función del impulso) de los plasmones de borde basándose en sus imágenes de campo cercano. destacando la longitud de onda acortada de los plasmones de borde en comparación con los plasmones de hoja. Gracias a sus propiedades únicas, Los plasmones de borde podrían ser una plataforma prometedora para acoplar puntos cuánticos o moléculas individuales en futuros dispositivos optoelectrónicos cuánticos.

"Nuestros resultados también proporcionan conocimientos novedosos sobre la física de la microscopía de campo cercano de plasmones de grafeno, que podría ser muy útil para interpretar imágenes de campo cercano de otras interacciones luz-materia en materiales bidimensionales, ", dice el profesor de investigación de Ikerbasque, Rainer Hillenbrand, que dirigió el proyecto.