Forskare från CIC nanoGUNE, i samarbete med ICFO och Graphenea, har visat hur infrarött ljus kan fångas upp av nanostrukturer gjorda av grafen. Detta händer när lätta par laddar svängningar i grafen. Den resulterande blandningen av ljus- och laddningsoscillationer, kallas plasmon, kan pressas in i rekordlilla volymer miljontals gånger mindre än i konventionella dielektriska optiska hålrum. Denna process har visualiserats av forskarna för första gången med hjälp av en toppmodern teknik, nära fältmikroskop och förklaras av teori. Forskarna identifierade två typer av plasmoner - kant- och arklägen - som sprider sig antingen längs arket eller längs arkets kanter. Kantplasmonerna är unika för sin förmåga att kanalisera elektromagnetisk energi i en dimension.

Arbetet, rapporterade i Nature Photonics , öppnar nya möjligheter för extremt små och effektiva fotodetektorer, sensorer och andra fotoniska och optoelektroniska nanodatorer.

Grafenbaserad teknik möjliggör extremt små optiska nanodatorer. Ljusets våglängd fångad av ett grafenark, ett monoskiktark kolatomer, kan förkortas med en faktor 100 jämfört med ljus som sprider sig i fritt utrymme. Som en konsekvens, ljuset som sprider sig längs grafenarket, som kallas grafenplasmon, kräver mycket mindre utrymme. Av den anledningen, fotoniska enheter kan göras mycket mindre. Den plasmoniska fältkoncentrationen kan förbättras ytterligare genom att tillverka grafen -nanostrukturer som fungerar som nanoresonatorer för plasmonerna. Det förbättrade fältet har redan funnits tillämpning i förbättrad infraröd och terahertz fotodetektion och infraröd vibrationsavkänning av molekyler, bland annat.

"Utvecklingen av effektiva enheter baserade på plasmoniska grafenanoresonatorer kommer kritiskt att bero på exakt förståelse och kontroll av de plasmoniska lägena inuti dem, "säger doktor Pablo Alonso-Gonzalez, (nu vid Oviedo University) som utförde real-space avbildning av grafenanoresonatorerna med ett nära fältmikroskop.

"Vi har blivit starkt imponerade av mångfalden av plasmoniska kontraster som observerats i nära fältbilderna, "säger Dr Alexey Nikitin, Ikerbasque Research Fellow på nanoGUNE, som utvecklade teorin för att identifiera de enskilda plasmonlägena.

Forskargruppen har tagit bort de enskilda plasmoniska lägena och delat in dem i två olika klasser. Den första klassen av plasmoner - "arkplasmoner" - kan existera "inuti" grafen -nanostrukturer, sträcker sig över hela området av grafen. Omvänt, den andra klassen av plasmoner - "kantplasmoner" - kan uteslutande sprida sig längs kanterna på grafen -nanostrukturer, vilket leder till viskande galleri-lägen i diskformade nanoresonatorer eller Fabry-Perot-resonanser i grafen-nanorektanglar på grund av reflektion i deras hörn. Kantplasmonerna är mycket bättre begränsade än plasmonerna och, viktigast, överföra energin i en enda dimension.

Bilderna i det verkliga rummet avslöjar dipolära kantlägen med en lägesvolym som är 100 miljoner gånger mindre än en kub av våglängden i det fria utrymmet. Forskarna mätte också spridningen (energi som funktion av momentum) av kantplasmonerna baserat på deras närfältbilder, markera den förkortade våglängden för kantplasmoner jämfört med plasmoner. Tack vare deras unika egenskaper, kantplasmoner kan vara en lovande plattform för koppling av kvantprickar eller enstaka molekyler i framtida kvanteopto-elektroniska enheter.

"Våra resultat ger också nya insikter i fysiken för närfältmikroskopi av grafenplasmoner, vilket kan vara mycket användbart för att tolka nära-fältbilder av andra ljus-materia-interaktioner i tvådimensionella material, "säger Ikerbasque Research Professor Rainer Hillenbrand som ledde projektet.