I en ny studie har ett internationellt forskarlag under ledning av Wiens universitet visat att strukturer byggda runt ett enda lager grafen möjliggör starka optiska olinjäriteter som kan omvandla ljus. Teamet uppnådde detta genom att använda nanometerstora guldband för att pressa ljus, i form av plasmoner, till atomärt tunn grafen. Resultaten, som publiceras i Naturens nanoteknik är lovande för en ny familj av ultrasmå avstämbara olinjära enheter.

Under de senaste åren, en samlad ansträngning har gjorts för att utveckla plasmoniska enheter för att manipulera och överföra ljus genom nanometerstora enheter. På samma gång, det har visat sig att icke-linjära interaktioner kan förbättras avsevärt genom att använda plasmoner, som kan uppstå när ljus interagerar med elektroner i ett material. I en plasmon, ljus är bundet till elektroner på ytan av ett ledande material, tillåter plasmoner att vara mycket mindre än ljuset som ursprungligen skapade dem. Detta kan leda till extremt starka olinjära interaktioner. Dock, plasmoner skapas vanligtvis på ytan av metaller, vilket får dem att förfalla mycket snabbt, begränsar både plasmonförökningslängden och olinjära interaktioner. I detta nya verk, forskarna visar att den långa livslängden för plasmoner i grafen och den starka olinjäriteten hos detta material kan övervinna dessa utmaningar.

I deras experiment, forskargruppen ledd av Philip Walther vid universitetet i Wien (Österrike), i samarbete med forskare från Barcelona Institute of Photonic Sciences (Spanien), Syddansk Universitet, universitetet i Montpellier, och Massachusetts Institute of Technology (USA) använde travar av tvådimensionella material, kallas heterostrukturer, att bygga upp en icke-linjär plasmonisk anordning. De tog ett enda atomlager av grafen och deponerade en rad metalliska nanoband på det. Metallbanden förstorade det inkommande ljuset i grafenskiktet, omvandla den till grafenplasmoner. Dessa plasmoner fångades sedan under guldnanorbanden, och producerade ljus av olika färger genom en process som kallas harmonisk generering. Forskarna studerade det genererade ljuset, och visade att den olinjära interaktionen mellan grafenplasmonerna var avgörande för att beskriva den harmoniska genereringen. Enligt Irati Alonso Calafell, tidningens huvudförfattare, "Vi har visat att de relativt enkla guldnanorbanden samtidigt kan förbättra grafens olinjäritet, excitera grafenplasmoner, och skapa en plasmonisk hålighet."

Även om området för grafenplasmonik fortfarande är i sin linda, forskarna är övertygade om att dessa resultat kan användas för att undersöka ny fysik i grafenheterostrukturer, och leda till en mängd olika tillämpningar. Lee Rozema, en av forskarna som arbetar med projektet, sa "vårt team i Wien har tidigare föreslagit att icke-linjära interaktioner medierade av grafenplasmoner skulle kunna användas för kvantberäkning, och nu har vi tillhandahållit experimentell bekräftelse på att dessa plasmoner verkligen kan interagera olinjärt." Teamet planerar att fortsätta driva på för ännu mer effektiva grafenheterostrukturer, genom att experimentera med nya metallgeometrier och utnyttja olika typer av olinjära interaktioner.