A medida que los dispositivos y circuitos electrónicos se reducen a nanoescala, la capacidad de transferir datos en un chip, a baja potencia con poca pérdida de energía, se está convirtiendo en un desafío crítico. En la última década, exprimir la luz en pequeños dispositivos y circuitos ha sido uno de los principales objetivos de los investigadores de nanofotónica. Oscilaciones electrónicas en la superficie de los metales, conocidos como polaritones de plasmones superficiales o plasmones para abreviar, se han convertido en un área de enfoque intensa. Los plasmones son híbridos de luz (fotones) y electrones en un metal. Si los investigadores pueden aprovechar este nanolight, podrán mejorar la detección, guía de onda de sublongitud de onda, y transmisión óptica de señales.

Los investigadores de Columbia han logrado un gran avance en esta investigación, con su invención de un novedoso microscopio óptico criogénico de campo cercano "construido en casa" que les ha permitido obtener imágenes directamente, por primera vez, la propagación y dinámica de los plasmones de grafeno a temperaturas variables de hasta 250 grados Celsius negativos. El estudio fue publicado en línea hoy en Naturaleza .

"Nuestro estudio dependiente de la temperatura ahora nos da una visión física directa de la física fundamental de la propagación del plasmón en el grafeno, "dice Dimitri N. Basov, profesor de física en la Universidad de Columbia, quien dirigió el estudio junto con sus colegas Cory Dean (física) y James Hone (ingeniería mecánica, Ingeniería de Columbia). "Esta información fue imposible de obtener en estudios previos de nanoimagen realizados a temperatura ambiente. Nos sorprendió particularmente descubrir, después de muchos años de intentos fallidos de acercarse, esa nano luz compacta puede viajar a lo largo de la superficie del grafeno a distancias de muchas decenas de micrones sin una dispersión no deseada. La física que limita el rango de viaje de la nano luz es un hallazgo fundamental de nuestro estudio y puede conducir a nuevas aplicaciones en sensores. imagen y procesamiento de señales ".

Basov, Decano, y Hone reúnen años de experiencia trabajando con grafeno, el material de un átomo de espesor que es uno de los candidatos más prometedores para nuevos materiales fotónicos. Las propiedades ópticas del grafeno se pueden sintonizar fácilmente y se pueden modificar en escalas de tiempo ultrarrápidas. Sin embargo, implementar nanolight sin introducir una disipación no deseada en el grafeno ha sido muy difícil de lograr.

Los investigadores de Columbia desarrollaron un enfoque práctico para confinar la luz a la nanoescala. Sabían que podían formar plasmones-polaritones, o modos resonantes, en el grafeno que se propagan a través del material como excitaciones híbridas de luz y electrones móviles. Estos modos plasmón-polaritón pueden confinar la energía de la radiación electromagnética, o luz, hasta la nanoescala. El desafío era cómo visualizar estas ondas con una resolución espacial ultra alta, para que pudieran estudiar el desempeño de los modos plasmónicos a diferentes temperaturas.

Alexander S. McLeod, un científico investigador postdoctoral en el Laboratorio de nanoóptica de Basov, construyó un microscopio único que permitió al equipo explorar las ondas de plasmón-polaritón a alta resolución mientras enfriaban el grafeno a temperaturas criogénicas. Bajar las temperaturas les permitió "apagar" varias dispersiones, o disipación, mecanismos, Uno después del otro, mientras enfriaban sus muestras y aprendían qué mecanismos eran relevantes.

"Ahora que nuestras nuevas capacidades de nanoimagen se implementan a bajas temperaturas, podemos ver directamente la propagación de ondas no mitigadas de las excitaciones colectivas de luz y carga dentro del grafeno, "dice McLeod, coautor principal del estudio con Guangxin Ni, también científico investigador postdoctoral en el laboratorio de Basov. "Muchas veces en física, como en la vida, ¡Ver de verdad es creer! El rango de viaje sin precedentes de estas ondas muestra que están destinadas a cobrar vida propia, canalizar señales e información de un lado a otro dentro de los dispositivos ópticos de próxima generación ".

El estudio es el primero en demostrar las limitaciones fundamentales para la propagación de ondas de polaritón de plasmón en el grafeno. El equipo descubrió que los plasmones de grafeno se propagan balísticamente, a través de decenas de micrómetros, en todo el pequeño dispositivo. Estos modos de plasmón están confinados dentro de un volumen de espacio de cientos, si no miles, de veces más pequeño que el ocupado por la luz que se propaga libremente.

Los plasmones en el grafeno se pueden ajustar y controlar a través de un campo eléctrico externo, lo que le da al grafeno una gran ventaja sobre los medios plasmónicos convencionales, como las superficies metálicas, que son inherentemente no sintonizables. Es más, ahora se ha descubierto que la vida útil de las ondas de plasmón en el grafeno supera a la de los metales en un factor de 10 a 100, mientras se propaga a distancias comparativamente más largas. Estas características ofrecen enormes ventajas para el grafeno como medio plasmónico en circuitos optoelectrónicos de próxima generación.

"Nuestros resultados establecen que el grafeno se encuentra entre los mejores materiales candidatos para plasmónicos infrarrojos, con aplicaciones en imagen, sintiendo y manipulación de la luz a nanoescala, "dice Hone." Además, Nuestros hallazgos revelan la física fundamental de los procesos que limitan la propagación de ondas de plasmón en el grafeno. This monumental insight will guide future efforts in nanostructure engineering, which may be able to remove the remaining roadblocks for long-range travel of versatile nanoconfined light within future optical devices."

The current study is the beginning of a series of low-temperature investigations focused on controlling and manipulating confined plasmons in nanoscale optoelectronic graphene devices. The team is now using low-temperature nanoimaging to explore novel plasmonics effects such as electrically-induced plasmonic reflection and modulation, topological chiral plasmons, and also superconducting plasmonics in the very recently discovered "magic angle" system of twisted bilayer graphene.

The study is titled "Fundamental limits to graphene plasmonics."