När elektroniska enheter och kretsar krymper till nanoskala, möjligheten att överföra data på ett chip, vid låg effekt med liten energiförlust, blir en kritisk utmaning. Under det senaste decenniet har klämma in ljus i små enheter och kretsar har varit ett stort mål för nanofotoniska forskare. Elektroniska svängningar vid metallytan, känd som ytplasmon polaritoner eller plasmoner för kort, har blivit ett intensivt fokusområde. Plasmoner är hybrider av ljus (fotoner) och elektroner i en metall. Om forskare kan utnyttja denna nanolight, de kommer att kunna förbättra avkänningen, subvåglängd vågledare, och optisk överföring av signaler.

Columbia -utredare har gjort ett stort genombrott i denna forskning, med deras uppfinning av ett nytt "hembyggt" kryogent optiskt mikroskop nära fältet som har gjort det möjligt för dem att direkt avbilda, för första gången, förökning och dynamik av grafenplasmoner vid varierande temperaturer ner till negativa 250 grader Celsius. Studien publicerades online idag Natur .

"Vår temperaturberoende studie ger oss nu direkt fysisk inblick i den grundläggande fysiken för plasmonförökning i grafen, "säger Dimitri N. Basov, professor i fysik vid Columbia University, som ledde studien tillsammans med kollegorna Cory Dean (fysik) och James Hone (maskinteknik, Columbia Engineering). "Denna insikt var omöjlig att uppnå i tidigare nanoimaging -studier gjorda vid rumstemperatur. Vi blev särskilt förvånade över att upptäcka, efter många år av misslyckade försök att komma någonstans nära, att kompakt nanolight kan färdas längs grafens yta för avstånd på många tiotals mikron utan oönskad spridning. Fysiken som begränsar nanolightens reseområde är ett grundläggande resultat av vår studie och kan leda till nya applikationer inom sensorer, bildbehandling, och signalbehandling. "

Basov, Dekanus, och Hone samlar mångårig erfarenhet av att arbeta med grafen, det enatomtjocka material som är en av de mest lovande kandidaterna för nya fotoniska material. Grafens optiska egenskaper är lättjusterbara och kan ändras vid ultrasnabba tidsskalor. Dock, implementering av nanolight utan att införa oönskad spridning i grafen har varit mycket svårt att uppnå.

Columbia -forskarna utvecklade ett praktiskt tillvägagångssätt för att begränsa ljus till nanoskala. De visste att de kunde bilda plasmon-polaritoner, eller resonanslägen, i grafen som förökar sig genom materialet som hybrid excitationer av ljus och mobila elektroner. Dessa plasmon-polariton-lägen kan begränsa energin från elektromagnetisk strålning, eller ljus, ner till nanoskala. Utmaningen var hur man visualiserar dessa vågor med ultrahög rumslig upplösning, så att de kunde studera prestanda för plasmoniska lägen vid varierande temperaturer.

Alexander S. McLeod, en postdoktoral forskare vid Basov Nano-optics Laboratory, byggde ett unikt mikroskop som gjorde det möjligt för laget att utforska plasmon-polaritonvågorna med hög upplösning medan de kylde grafen till kryogena temperaturer. Genom att sänka temperaturerna kunde de "stänga av" olika spridningar, eller försvinnande, mekanismer, en efter en, när de svalnade sina prover och lärde sig vilka mekanismer som var relevanta.

"Nu när våra nya nanoimaging -funktioner distribueras till låga temperaturer, vi kan direkt se den oavbrutna vågutbredningen av kollektiva ljus- och laddnings-excitationer inom grafen, "säger McLeod, medförfattare till studien med Guangxin Ni, också en postdoktoral forskare i Basovs lab. "Ofta inom fysiken, som i livet, att se verkligen är att tro! Det rekordstora reseområdet för dessa vågor visar att de är avsedda att ta ett eget liv, sända signaler och information fram och tillbaka inuti nästa generations optiska enheter. "

Studien är den första som visar de grundläggande begränsningarna för förökning av plasmonpolaritonvågor i grafen. Teamet fann att grafenplasmoner förökar sig ballistiskt, över tiotals mikrometer, hela den lilla enheten. Dessa plasmonlägen är begränsade inom en volym av rymden hundratals, om inte tusentals, gånger mindre än den som upptas av fritt spridande ljus.

Plasmoner i grafen kan ställas in och styras via ett externt elektriskt fält, vilket ger grafen en stor fördel jämfört med konventionella plasmoniska medier såsom metallytor, som inte är avstämbara i sig. Dessutom, livslängden för plasmonvågor i grafen befinner sig nu överstiga dem i metaller med en faktor 10 till 100, medan den sprider sig över jämförbart längre sträckor. Dessa funktioner erbjuder enorma fördelar för grafen som ett plasmoniskt medium i nästa generations opto-elektroniska kretsar.

"Our results establish that graphene ranks among the best candidate materials for infrared plasmonics, with applications in imaging, avkänning, and nano-scale manipulation of light, " says Hone. "Furthermore, our findings reveal the fundamental physics of processes that limit propagation of plasmon waves in graphene. This monumental insight will guide future efforts in nanostructure engineering, which may be able to remove the remaining roadblocks for long-range travel of versatile nanoconfined light within future optical devices."

The current study is the beginning of a series of low-temperature investigations focused on controlling and manipulating confined plasmons in nanoscale optoelectronic graphene devices. The team is now using low-temperature nanoimaging to explore novel plasmonics effects such as electrically-induced plasmonic reflection and modulation, topological chiral plasmons, and also superconducting plasmonics in the very recently discovered "magic angle" system of twisted bilayer graphene.

The study is titled "Fundamental limits to graphene plasmonics."