Ytplasmoner i grafen har studerats mycket under det senaste decenniet på grund av deras mycket tilltalande egenskaper, såsom den starka inställningen av dess optiska egenskaper genom elektrisk grindning och den relativt höga plasmonlivslängden. Dock, dessa exceptionella egenskaper är begränsade till lägre frekvenser som sträcker sig från de mellaninfraröda (mid-IR) till terahertz (THz) spektralområdena. Dessutom, elektrisk avstämning av grafen kan inte uppnås på ett ultrasnabbt sätt, vad som utgör ett hinder för dess tillämpning i höghastighetsteknologiska enheter som blir allt viktigare.

I en ny tidning publicerad i Ljusvetenskap och tillämpning , ett team från ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques (Barcelona, Spanien) har föreslagit en helt optisk teknik för att modulera det plasmoniska svaret hos grafen- och/eller tunnmetallbaserade system på ett ultrasnabbt sätt, i ett spektrum som sträcker sig från mellaninfraröd till synliga (vis-NIR) frekvenser. De föreslår en pumpsondsuppställning där en ultrasnabb och mycket intensiv pumpstråle används för att värma grafenens elektroner. Baserat på den låga värmekapaciteten hos detta 2D-material – vilket betyder att en liten mängd energi som absorberas av detta material kan inducera en stor ökning av temperaturen på dess elektroner – och på det starka beroendet av grafens konduktivitet och dess elektroniska temperatur, de optiska egenskaperna hos systemet kommer att moduleras av den elektroniska temperaturökningen, och detta kan mätas av sondstrålen.

Intressant, denna teknik kan användas för att excitera plasmoner helt optiskt, inte bara i grafenarket, men också i ett tunt metalliskt lager placerat nära den. Efter ett tidigare arbete av samma grupp, de föreslår att göra det genom att konstruera en pumpstråle så att dess vågfrontsintensitet varierar rumsligt på ett periodiskt sätt. Som sådan, den elektroniska temperaturen i grafen (och därefter dess ledningsförmåga) varierar också lokalt på arkets yta, fungerar som ett effektivt gitter som sprider sondstrålen och kopplar den till plasmoner. Beroende på sondstrålens våglängd och närvaron av en metallisk tunn film nära grafenarket, denna teknik kan användas för att excitera antingen grafenplasmoner (mid-IR), metalliska plasmoner (vis-NIR) eller hybridakustiska plasmoner (THz). "På det här sättet, man kan excitera och manipulera plasmoner inom ett brett spektralområde utan behov av lateral mönstring eller att använda externa enheter, som SNOM-tips, att koppla förökande ljus till plasmoner, ", tillade författarna.

På ett annat sätt, författarna föreslår att man använder fototermiska effekter i nanoskala för att uppnå ultrasnabb modulering av ljus. De föreställer sig en struktur som består av ett tunt metallgitter ovanpå ett grafenark dopat till någon Fermi-nivå. Sedan, genom att öka temperaturen på grafenelektronerna via en pumpstråle, den kemiska potentialen hos grafen kommer att minska, och mellanbandsövergångarna i grafen kommer att bli betydande vid lägre energier, och kommer att dämpa den plasmoniska toppen uppmätt genom reflektionen av en sondstråle. "Temperaturen hos grafenelektroner kan uppnå flera tusen kelviner, vilket resulterar i en dämpning av reflektionstoppen upp till 70 %, " hävdar författarna. En liknande effekt kan observeras i akustiska grafenplasmoner, men i det här fallet är orsaken till släckningen ökningen av de oelastiska grafenförlusterna med den elektroniska temperaturen. "I båda fallen, moduleringen av det optiska svaret är ultrasnabb, till skillnad från alternativa sätt att modulera svaret, som att elektriskt ändra Fermi-nivån av grafen, ", tillade författarna.

"Vår studie öppnar en lovande väg mot aktiv fototermisk manipulation av det optiska svaret i atomärt tunna material med potentiella tillämpningar i ultrasnabb ljusmodulering, ", avslutar författarna.