Observación en chip de plasmones de grafeno THz

miércoles, 09 de noviembre de 2016


La radiación en la gama de frecuencias de teraherzios (THz) despierta cada vez mayor interés debido a su potencial aplicación múltiple en la formación de imágenes no destructivas, comunicación o detección inalámbrica de próxima generación. Pero todavía la generación, detección y control de la radiación THz se enfrenta a numerosos retos tecnológicos. Concretamente, las longitudes de onda relativamente largas (de 30 a 300 μm) de radiación THz requieren soluciones para la integración a nanoescala de dispositivos THz o para aplicaciones de representación de imágenes y detección a nanoescala.

 

En los últimos años, la plasmónica de grafeno se ha convertido en una plataforma altamente prometedora para encoger ondas THz. Se basa en la interacción de la luz con oscilaciones colectivas de electrones en el grafeno, dando lugar a ondas electromagnéticas que se denominan plasmones. Los plasmones de grafeno se propagan con una longitud de onda claramente reducida y pueden concentrar campos de THz a dimensiones de escala de sub-longitud de onda, mientras que los propios plasmones pueden controlarse eléctricamente.

 

Actualmente, investigadores de CIC nanoGUNE (San Sebastián, España) en colaboración con ICFO (Barcelona, España), IIT (Génova, Italia) – miembros de EU Graphene Flagship – Universidad de Columbia (Nueva York, EE UU), Universidad Radboud (Nijmegen, Holanda), NIM (Tsukuba, Japón) y Neaspec (Martinsried, Alemania) han podido visualizar plasmones 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 producida por el detector mientras una punta de metal afilada era barrida a través de ella. La punta metálica tenía la función de enfocar la iluminación THz en un tamaño del punto de 50 nm aproximadamente, el cual es unas 2000 veces más pequeño que la longitud de onda de la iluminación. Esta nueva técnica de representación de imágenes, llamada nanoscopia por fotocorriente THz, proporciona posibilidades sin precedentes para caracterizar propiedades optoelectrónicas a frecuencias de THz.

 

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

 

“Al principio nos quedamos muy sorprendidos ante la longitud de onda extremadamente corta del plasmón, puesto que los plasmones de grafeno normalmente están mucho menos comprimidos”, afirma el ex-investigador de nanoGUNE Pablo Alonso, ahora en la Universidad de Oviedo, y primer autor del trabajo. “Logramos resolver el enigma mediante estudios teóricos, que demostraron que los plasmones se acoplan con la compuerta metálica debajo del grafeno”, explica. “Este acoplamiento produce una compresión adicional de los plasmones y un confinamiento de campo extremo que podrían abrir la puerta a diversas aplicaciones de sensores y detectores”, añade Rainer Hillenbrand, profesor de investigación de Ikerbasque y Director del Grupo de Nanoóptica en nanoGUNE que dirigió la investigación. Los plasmones también mostraron una dispersión lineal – lo cual significa que su energía es proporcional a su impulso – lo cual podría ser beneficioso para las tecnologías de información y comunicación. El equipo también analizó la duración vital de los plasmones THz, y el resultado fue que la amortiguación de los plasmones THz está determinada por las impurezas del grafeno.

 

La nanoscopia de fotocorriente THz se basa en el fuerte efecto fototermoeléctrico del grafeno, que transforma el calor generado por campos THz, incluyendo el de los plasmones THz, en una corriente. En el futuro el fuerte efecto termoeléctrico podría aplicarse también a la detección de plasmones THz en chips en circuitos plasmónicos de grafeno. La técnica de nano formación de imágenes de fotocorrientes THz podría tener aplicaciones más allá de las imágenes de plasmones, para estudiar, por ejemplo, las propiedades optoelectrónicas THz locales de otros materiales 2D, nanoestructuras de semiconductores o gases de electrones bidimensionales clásicos.

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