En busca de la nanoluz

29 marzo, 2016

Investigadores del CIC nanoGUNE, en colaboración con ICFO y Graphenea, han demostrado que la luz infrarroja puede ser captada por nanoestructuras hechas de grafeno. Esto sucede cuando la luz se acopla para cargar oscilaciones en el grafeno. La mezcla resultante de luz y oscilaciones de carga -llamada plasmón- puede ser comprimida en volúmenes extraordinariamente pequeños: millones de veces menores que en las cavidades ópticas dieléctricas convencionales. Este proceso ha sido visualizado por los investigadores por primera vez con ayuda de un microscopio de campo cercano y explicado teóricamente. En concreto, los investigadores han identificado dos tipos de plasmones -modos de borde y modos de lámina- que se propagan o bien a lo largo de la lámina o bien a lo largo de los bordes de la lámina. Los plasmones de borde son únicos debido a su capacidad de canalizar energía electromagnética en una dimensión. Este trabajo – financiado por EC Graphene Flagship y publicado en Nature Photonics – despeja el camino para nuevas posibilidades de fotodetectores, sensores y otros nanodispositivos optoelectrónicos y fotónicos eficientes y extraordinariamente pequeños.

[pullquote]Las tecnologías basadas en grafeno hacen posible los nanodispositivos ópticos extremadamente pequeño[/pullquote]

Las tecnologías basadas en grafeno hacen posible los nanodispositivos ópticos extremadamente pequeños. La longitud de onda de la luz captada por una lámina de grafeno -una lámina monocapa de átomos de carbono- puede ser 100 veces menor que la de la luz que se propaga libremente en el espacio. Por consiguiente, esta luz que se propaga por la lámina de grafeno -llamada plasmón de grafeno- requiere muchos menos espacio. Esta es la razón por la que los dispositivos fotónicos pueden ser mucho más pequeños. La concentración de campo plasmónico puede ser mejorada fabricando nanoestructuras de grafeno que actúen como nanoresonadores de los plasmones. El campo mejorado ya ha sido aplicado para la fotodetección mejorada de terahercios o infrarrojos o para la detección vibracional de infrarrojos en moléculas, entre otros.

“El desarrollo de dispositivos eficientes basados en nanoresonadores de grafeno plasmónico dependerá fundamentalmente de la comprensión y control precisos de los modos plasmónicos en su interior”, indica el Dr. Pablo Alonso-González (ahora en la Universidad de Oviedo) que realizó la representación en imágenes en espacio real de los nanoresonadores de grafeno (discos y rectángulos) con un microscopio de campo cercano. “Nos hemos quedado muy impresionados por la diversidad de contrastes plasmónicos observados en las imágenes de campo cercano”, añade el Dr. Alexey Nikitin, miembro investigador de Ikerbasque en nanoGUNE, quien ha desarrollado la teoría para identificar los modos individuales de los plasmones.

[pullquote]”Nuestros resultados aportan nuevas perspectivas a la física de la microscopia de campo cercano de plasmones de grafeno”[/pullquote]

El equipo investigador ha desentrañado los modos plasmónicos individuales y los ha separado en dos clases diferentes. La primera clase de plasmones -“plasmones de lámina”- puede existir “dentro de nanoestructuras de grafeno, extendiéndose por toda la superficie de grafeno. En cambio, la segunda clase de plasmones -“plasmones de borde”- se pueden propagar exclusivamente a lo largo de los bordes de nanoestructuras de grafeno, conduciendo a modos de galería susurrante en nanoresonadores en forma de disco o a resonancias Fabry-Perot en nanorectángulos de grafeno debido a la reflexión en los ángulos. Los plasmones de borde están mucho más confinados que los plasmones de lámina y, lo que es más importante, transfieren la energía sólo en una dimensión. Las imágenes en espacio real revelan modos de borde dipolares con un volumen por modo que es 100 millones de veces más pequeño que el cubo de la longitud de onda en espacio libre. Los investigadores también midieron la dispersión (energía como función del momento o empuje) de los plasmones de borde basada en las imágenes de campo cercano, resaltando la reducción de la longitud de onda de los plasmones de borde comparada con la de los plasmones de lámina. Gracias a sus propiedades únicas, los plasmones de borde podrían ser una prometedora plataforma para acoplar puntos cuánticos o moléculas individuales en futuros dispositivos opto-electrónicos cuánticos.

“Nuestros resultados aportan nuevas perspectivas a la física de la microscopia de campo cercano de plasmones de grafeno, que podría resultar muy útil para interpretar imágenes de campo cercano de otras interacciones luz-materia en materiales bi-dimensionales”, añade el profesor de investigación de Ikerbasque Rainer Hillenbrand, director del proyecto.

 

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