Los plasmones de superficie en el grafeno se han estudiado ampliamente en la última década debido a sus propiedades muy atractivas. como la gran capacidad de sintonización de sus propiedades ópticas a través de la compuerta eléctrica y la vida útil relativamente alta del plasmón. Sin embargo, estas propiedades excepcionales se limitan a frecuencias más bajas que van desde el infrarrojo medio (IR medio) hasta las regiones espectrales de terahercios (THz). Adicionalmente, la sintonización eléctrica del grafeno no se puede lograr de manera ultrarrápida, lo que supone un obstáculo para su aplicación en dispositivos tecnológicos de alta velocidad que cobran cada vez más importancia.

En un nuevo artículo publicado en Ciencia y aplicación de la luz , un equipo del ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques (Barcelona, España) ha propuesto una técnica totalmente óptica para modular la respuesta plasmónica de sistemas basados ​​en grafeno y / o metales delgados de forma ultrarrápida, en un espectro que va desde el infrarrojo medio a las frecuencias visibles (vis-NIR). Proponen una configuración de bomba-sonda en la que se utiliza un rayo de bomba ultrarrápido y muy intenso para calentar los electrones del grafeno. Basado en la baja capacidad calorífica de este material 2-D, lo que significa que una pequeña cantidad de energía absorbida por este material puede inducir un gran aumento en la temperatura de sus electrones, y en la fuerte dependencia de la conductividad del grafeno con su temperatura electrónica, las propiedades ópticas del sistema serán moduladas por el aumento de temperatura electrónico, y esto se puede medir con el haz de sonda.

Curiosamente, Esta técnica se puede utilizar para excitar de forma totalmente óptica los plasmones no solo en la hoja de grafeno, pero también en una fina capa metálica colocada a su lado. Siguiendo un trabajo previo del mismo grupo, proponen hacerlo mediante la ingeniería de un haz de bombeo de manera que la intensidad del frente de onda varíe espacialmente de manera periódica. Como tal, la temperatura electrónica en el grafeno (y posteriormente su conductividad) también varía localmente en la superficie de la hoja, actuando como una rejilla eficaz que dispersa el haz de la sonda y lo acopla en plasmones. Dependiendo de la longitud de onda del haz de la sonda y la presencia de una fina película metálica cerca de la hoja de grafeno, esta técnica se puede utilizar para excitar plasmones de grafeno (IR medio), plasmones metálicos (vis-NIR) o plasmones acústicos híbridos (THz). "De este modo, uno puede excitar y manipular plasmones en un amplio rango espectral sin la necesidad de patrones laterales o el uso de dispositivos externos, como los consejos de SNOM, para acoplar la propagación de la luz en plasmones, ", agregaron los autores.

En una nota diferente, los autores proponen emplear efectos fototérmicos a nanoescala para lograr una modulación ultrarrápida de la luz. Visualizan una estructura compuesta por una fina rejilla metálica sobre una hoja de grafeno dopada a algún nivel de Fermi. Luego, aumentando la temperatura de los electrones de grafeno a través de un haz de bombeo, el potencial químico del grafeno disminuirá, y las transiciones entre bandas en el grafeno serán significativas a energías más bajas, y apagará el pico plasmónico medido por la reflexión de un haz de sonda. "La temperatura de los electrones del grafeno puede alcanzar varios miles de grados Kelvin, dando como resultado una amortiguación del pico de reflexión de hasta un 70%, "afirman los autores. Se puede observar un efecto similar en los plasmones acústicos de grafeno, pero en este caso la razón de la extinción es el aumento de las pérdidas inelásticas de grafeno con la temperatura electrónica. "En ambos casos, la modulación de la respuesta óptica es ultrarrápida, a diferencia de las formas alternativas de modular la respuesta, como cambiar eléctricamente el nivel de grafeno de Fermi, ", agregaron los autores.

“Nuestro estudio abre una vía prometedora hacia la manipulación fototérmica activa de la respuesta óptica en materiales atómicamente delgados con aplicaciones potenciales en la modulación de luz ultrarrápida, "concluyen los autores.