Los investigadores desarrollaron una técnica para obtener imágenes de fotocorriente THz con resolución a nanoescala, y lo aplicó para visualizar ondas THz fuertemente comprimidas (plasmones) en un fotodetector de grafeno. Las longitudes de onda extremadamente cortas y los campos altamente concentrados de estos plasmones abren nuevos espacios para el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos THz miniaturizados.

La radiación en el rango de frecuencia de terahercios (THz) está atrayendo un gran interés debido a su potencial de aplicación múltiple para imágenes no destructivas. comunicación o detección inalámbrica de próxima generación. Pero aún, el generador, la detección y el control de la radiación de THz se enfrenta a numerosos desafíos tecnológicos. Particularmente, las longitudes de onda relativamente largas (de 30 a 300 mm) de radiación THz requieren soluciones para la integración a nanoescala de dispositivos THz o para aplicaciones de detección e imagen a nanoescala.

En años recientes, Los plasmónicos de grafeno se han convertido en una plataforma muy prometedora para reducir las ondas THz. Se basa en la interacción de la luz con oscilaciones electrónicas colectivas en el grafeno, dando lugar a ondas electromagnéticas que se denominan plasmones. Los plasmones de grafeno se propagan con una longitud de onda muy reducida y pueden concentrar los campos de THz a dimensiones de escala de sublongitud de onda, mientras que los propios plasmones se pueden controlar eléctricamente.

Ahora, investigadores del CIC nanoGUNE (San Sebastián, España) en colaboración con ICFO (Barcelona, España), IIT (Génova, Italia) - miembros del buque insignia de grafeno de la UE - Universidad de Columbia (Nueva York, ESTADOS UNIDOS), Universidad de Radboud (Nijmegen, Países Bajos), NIM (Tsukuba, Japón) y Neaspec (Martinsried, Alemania) pudieron visualizar plasmones de THz fuertemente comprimidos y confinados en un detector de THz a temperatura ambiente basado en grafeno. Para ver los plasmones registraron un mapa a nanoescala de la fotocorriente que produjo el detector mientras se escaneaba una punta de metal afilada a través de él. La punta tenía la función de enfocar la iluminación THz a un tamaño de punto de aproximadamente 50 nm, que es aproximadamente 2000 veces más pequeño que la longitud de onda de la iluminación. Esta nueva técnica de imagen, denominada nanoscopia de fotocorriente THz, proporciona posibilidades sin precedentes para caracterizar propiedades optoelectrónicas en frecuencias THz.

El equipo registró imágenes de fotocorriente del detector de grafeno, mientras estaba iluminado con radiación THz de alrededor de 100 mm de longitud de onda. Las imágenes mostraron oscilaciones de fotocorriente que revelaban que los plasmones THz con una longitud de onda más de 50 veces reducida se propagaban en el dispositivo mientras producían una fotocorriente.

"Al principio nos sorprendió bastante la longitud de onda de plasmón extremadamente corta, ya que los plasmones de grafeno THz suelen estar mucho menos comprimidos ", dice el ex investigador de nanoGUNE Pablo Alonso, ahora en la Universidad de Oviedo, y primer autor del trabajo. "Logramos resolver el rompecabezas mediante estudios teóricos, que mostró que los plasmones se acoplan con la puerta de metal debajo del grafeno ", él continúa. "Este acoplamiento conduce a una compresión adicional de los plasmones y un confinamiento de campo extremo, que podría abrir la puerta a varias aplicaciones de sensores y detectores ", añade Rainer Hillenbrand, Profesor de investigación Ikerbasque y líder del grupo de nanoóptica en nanoGUNE que dirigió la investigación. Los plasmones también muestran una dispersión lineal, lo que significa que su energía es proporcional a su impulso, lo que podría ser beneficioso para las tecnologías de la información y la comunicación. El equipo también analizó la vida útil de los plasmones THz, que mostró que la amortiguación de los plasmones THz está determinada por las impurezas en el grafeno.

La nanoscopia de fotocorriente THz se basa en el fuerte efecto fototermoeléctrico del grafeno, que transforma el calor generado por los campos de THz, incluido el de los plasmones THz, en una corriente. En el futuro, el fuerte efecto termoeléctrico también podría aplicarse para la detección de plasmón THz en chip en circuitos plasmónicos de grafeno. La técnica de nanoimagen de fotocorriente de THz podría encontrar un potencial de aplicación adicional más allá de las imágenes de plasmones, por ejemplo, para estudiar las propiedades optoelectrónicas locales de THz de otros materiales 2D, gases de electrones 2D clásicos o nanoestructuras semiconductoras.