Långvågigt terahertzljus är osynligt – det är längst bort i det infraröda området – men det är användbart för allt från att upptäcka sprängämnen på flygplatsen till att designa läkemedel till att diagnostisera hudcancer. Nu, för första gången, forskare vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och University of California i Berkeley har visat en anordning i mikroskala gjord av grafen – den anmärkningsvärda formen av kol som bara är en atom tjock – vars starka svar på ljus vid terahertzfrekvenser kan ställas in med utsökt precision.

"Hjärtat i vår enhet är en array gjord av grafenband som bara är miljondels meter breda, " säger Feng Wang från Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning, som också är biträdande professor i fysik vid UC Berkeley, och vem som ledde forskargruppen. "Genom att variera bredden på banden och koncentrationen av laddningsbärare i dem, vi kan kontrollera de kollektiva oscillationerna av elektroner i mikrobanden."

Namnet på sådana kollektiva oscillationer av elektroner är "plasmoner, " ett ord som låter abstrut men beskriver effekter lika bekanta som de glödande färgerna i målade glasfönster.

"Plasmoner i högfrekvent synligt ljus händer i tredimensionella metallnanostrukturer, " säger Wang. Färgerna på medeltida målat glas, till exempel, resultat av oscillerande samlingar av elektroner på ytorna av nanopartiklar av guld, koppar, och andra metaller, och beror på deras storlek och form. "Men grafen är bara en atom tjock, och dess elektroner rör sig i endast två dimensioner. I 2D-system, plasmoner förekommer vid mycket lägre frekvenser."

Våglängden för terahertzstrålning mäts i hundratals mikrometer (miljondelar av en meter), ändå är bredden på grafenbanden i den experimentella enheten bara en till fyra mikrometer vardera.

"Ett material som består av strukturer med dimensioner mycket mindre än den relevanta våglängden, och som uppvisar optiska egenskaper som skiljer sig tydligt från bulkmaterialet, kallas ett metamaterial, " säger Wang. "Så vi har inte bara gjort de första studierna av ljus- och plasmonkoppling i grafen, vi har också skapat en prototyp för framtida grafenbaserade metamaterial i terahertz-serien."

Teamet rapporterar sin forskning i Naturens nanoteknik , tillgänglig i avancerad onlinepublikation.

Hur man trycker på plasmonerna

I tvådimensionell grafen, elektroner har en liten vilomassa och reagerar snabbt på elektriska fält. En plasmon beskriver den kollektiva oscillationen av många elektroner, och dess frekvens beror på hur snabbt vågor i detta elektronhav skvalpar fram och tillbaka mellan kanterna på ett grafenmikroband. När ljus med samma frekvens appliceras, resultatet är "resonant excitation, " en markant ökning av oscillationens styrka – och samtidigt stark absorption av ljuset vid den frekvensen. Eftersom svängningarnas frekvens bestäms av bandens bredd, att variera deras bredd kan ställa in systemet för att absorbera olika frekvenser av ljus.

Styrkan hos ljus-plasmonkopplingen kan också påverkas av koncentrationen av laddningsbärare – elektroner och deras positivt laddade motsvarigheter, hål. En anmärkningsvärd egenskap hos grafen är att koncentrationen av dess laddningsbärare lätt kan ökas eller minskas helt enkelt genom att applicera ett starkt elektriskt fält – så kallad elektrostatisk dopning.

Berkeley-enheten innehåller båda dessa metoder för att ställa in responsen på terahertzljus. Mikrobandsuppsättningar gjordes genom att avsätta ett atomtjockt lager av kol på en kopparskiva, överför sedan grafenskiktet till ett kiseloxidsubstrat och etsning av bandmönster i det. En jongel med kontaktpunkter för att variera spänningen placerades ovanpå grafenet.

Den grindade grafenmikroarrayen belystes med terahertzstrålning vid strållinje 1.4 i Berkeley Labs avancerade ljuskälla, och transmissionsmätningar gjordes med strållinjens infraröda spektrometer. På detta sätt visade forskargruppen koppling mellan ljus och plasmoner som var en storleksordning starkare än i andra 2D-system.

En sista metod för att kontrollera plasmonstyrka och terahertz-absorption beror på polarisering. Ljus som lyser i samma riktning som grafenbanden visar inga variationer i absorption beroende på frekvens. Men ljus i rät vinkel mot banden – samma orientering som det oscillerande elektronhavet – ger skarpa absorptionstoppar. Vad mer, ljusabsorption i konventionella 2D-halvledarsystem, som kvantbrunnar, kan endast mätas vid temperaturer nära absolut noll. Berkeley-teamet mätte framträdande absorptionstoppar vid rumstemperatur.

"Terahertz-strålning täcker ett spektralområde som är svårt att arbeta med, för hittills har det inte funnits några verktyg, " säger Wang. "Nu har vi början på en verktygsuppsättning för att arbeta inom det här området, potentiellt leda till en mängd grafenbaserade terahertz-metamaterial."

Berkeleys experimentella upplägg är bara en föregångare till enheter som kommer, som kommer att kunna kontrollera polarisationen och modifiera intensiteten av terahertzljus och möjliggöra andra optiska och elektroniska komponenter, i tillämpningar från medicinsk bildbehandling till astronomi – allt i två dimensioner.