Forskare utvecklade en teknik för att avbilda THz-fotoströmmar med upplösning i nanoskala, och använde den för att visualisera starkt komprimerade THz-vågor (plasmoner) i en grafenfotodetektor. De extremt korta våglängderna och högkoncentrerade fälten i dessa plasmoner öppnar nya arenor för utveckling av miniatyriserade optoelektroniska THz -enheter.

Strålning i terahertz (THz) frekvensområdet lockar stort intresse på grund av dess mångfaldiga applikationspotential för icke-destruktiv avbildning, nästa generations trådlös kommunikation eller avkänning. Men ändå, det genererande, Detektering och kontroll av THz -strålning står inför många tekniska utmaningar. Särskilt, de relativt långa våglängderna (från 30 till 300 mm) av THz-strålning kräver lösningar för integrering av THz-enheter i nanoskala eller för avkänning och avbildning i nanoskala.

På senare år har graphene plasmonics har blivit en mycket lovande plattform för att krympa THz-vågor. Den är baserad på ljusets interaktion med kollektiva elektronoscillationer i grafen, som ger upphov till elektromagnetiska vågor som kallas plasmoner. Grafenplasmonerna fortplantar sig med kraftigt reducerad våglängd och kan koncentrera THz-fält till subvåglängdsskaladimensioner, medan själva plasmonerna kan styras elektriskt.

Nu, forskare vid CIC nanoGUNE (San Sebastian, Spanien) i samarbete med ICFO (Barcelona, Spanien), IIT (Genova, Italien) - medlemmar av EU:s grafenflaggskepp - Columbia University (New York, USA), Radboud University (Nijmegen, Nederländerna), NIM (Tsukuba, Japan) och Neaspec (Martinsried, Tyskland) kunde visualisera starkt komprimerade och instängda THz-plasmoner i en rumstemperatur THz-detektor baserad på grafen. För att se plasmonerna, de spelade in en karta i nanoskala över fotoströmmen som detektorn producerade medan en vass metallspets skannades över den. Spetsen hade funktionen att fokusera THz-belysningen till en punktstorlek på cirka 50 nm, vilket är cirka 2000 gånger mindre än belysningsvåglängden. Denna nya bildteknik, kallad THz fotoström nanoskopi, ger oöverträffade möjligheter för att karakterisera optoelektroniska egenskaper vid THz-frekvenser.

Teamet spelade in fotoströmbilder av grafendetektorn, medan den var upplyst med THz-strålning på cirka 100 mm våglängd. Bilderna visade ljusströmmars svängningar som avslöjade att THz -plasmoner med en mer än 50 gånger reducerad våglängd förökade sig i enheten medan de producerade en fotoström.

"I början var vi ganska förvånade över den extremt korta plasmonvåglängden, eftersom THz-grafenplasmoner vanligtvis är mycket mindre komprimerade", säger den tidigare nanoGUNE-forskaren Pablo Alonso, nu vid universitetet i Oviedo, och första författare till verket. "Vi lyckades lösa pusslet genom teoretiska studier, som visade att plasmonerna kopplar ihop med metallporten under grafen ", han fortsätter. "Denna koppling leder till en ytterligare komprimering av plasmonerna och en extrem fältbegränsning, som kan öppna dörren mot olika detektor- och sensortillämpningar", tillägger Rainer Hillenbrand, Ikerbasque Research Professor och Nanooptics Group Leader på nanoGUNE som ledde forskningen. Plasmonerna uppvisar också en linjär spridning – det betyder att deras energi är proportionell mot deras momentum – vilket kan vara fördelaktigt för informations- och kommunikationsteknik. Teamet analyserade också livslängden för THz-plasmonerna, som visade att dämpningen av THz-plasmoner bestäms av föroreningarna i grafenet.

THz fotoström nanoskopi förlitar sig på den starka fototermoelektriska effekten i grafen, som omvandlar värme som genereras av THz-fält, inklusive THz-plasmoner, in i en ström. I framtiden, den starka termoelektriska effekten kan också användas för THz-plasmondetektering på chip i grafenplasmoniska kretsar. Tekniken för THz photocurrent nanoimaging kan hitta ytterligare tillämpningspotential utöver plasmonavbildning, till exempel, för att studera de lokala THz optoelektroniska egenskaperna hos andra 2D-material, klassiska 2D -elektrongaser eller halvledarnanostrukturer.