p A luz terahertz de comprimento de onda longo é invisível - está na extremidade mais distante do infravermelho distante - mas é útil para tudo, desde a detecção de explosivos no aeroporto até o desenvolvimento de medicamentos e o diagnóstico de câncer de pele. Agora, pela primeira vez, cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos Estados Unidos (Berkeley Lab) e da Universidade da Califórnia em Berkeley demonstraram um dispositivo em microescala feito de grafeno - a notável forma de carbono com apenas um átomo de espessura - cuja forte resposta à luz em frequências terahertz pode ser ajustado com precisão requintada. p "O coração do nosso dispositivo é uma matriz feita de fitas de grafeno com apenas milionésimos de um metro de largura, "diz Feng Wang da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab, que também é professor assistente de física na UC Berkeley, e quem liderou a equipe de pesquisa. "Variando a largura das fitas e a concentração de portadores de carga nelas, podemos controlar as oscilações coletivas dos elétrons nas microfitas. "

p O nome para essas oscilações coletivas de elétrons é "plasmons, "uma palavra que soa confusa, mas descreve efeitos tão familiares quanto as cores brilhantes dos vitrais.

p "Plasmons em luz visível de alta frequência acontecem em nanoestruturas metálicas tridimensionais, "Diz Wang. As cores dos vitrais medievais, por exemplo, resultam de coleções oscilantes de elétrons nas superfícies das nanopartículas de ouro, cobre, e outros metais, e dependem de seu tamanho e forma. "Mas o grafeno tem apenas um átomo de espessura, e seus elétrons se movem em apenas duas dimensões. Em sistemas 2D, plasmons ocorrem em frequências muito mais baixas. "

p O comprimento de onda da radiação terahertz é medido em centenas de micrômetros (milionésimos de metro), no entanto, a largura das fitas de grafeno no dispositivo experimental é de apenas um a quatro micrômetros cada.

p "Um material que consiste em estruturas com dimensões muito menores do que o comprimento de onda relevante, e que exibe propriedades ópticas distintamente diferentes do material a granel, é chamado de metamaterial, "diz Wang." Portanto, não fizemos apenas os primeiros estudos de acoplamento de luz e plasmon no grafeno, também criamos um protótipo para futuros metamateriais à base de grafeno na faixa de terahertz. "

p A equipe relata sua pesquisa em Nature Nanotechnology , disponível em publicação online avançada.

p Como empurrar os plasmons

p No grafeno bidimensional, os elétrons têm uma pequena massa de repouso e respondem rapidamente aos campos elétricos. Um plasmon descreve a oscilação coletiva de muitos elétrons, e sua frequência depende de quão rapidamente as ondas neste mar de elétrons se movem para frente e para trás entre as bordas de um microribão de grafeno. Quando a luz da mesma frequência é aplicada, o resultado é "excitação ressonante, "um aumento acentuado na força da oscilação - e forte absorção simultânea da luz nessa frequência. Uma vez que a frequência das oscilações é determinada pela largura das fitas, variar sua largura pode ajustar o sistema para absorver diferentes frequências de luz.

p A força do acoplamento luz-plasmon também pode ser afetada pela concentração de portadores de carga - elétrons e suas contrapartes carregadas positivamente, furos. Uma característica notável do grafeno é que a concentração de seus portadores de carga pode ser facilmente aumentada ou diminuída simplesmente pela aplicação de um forte campo elétrico - o chamado dopagem eletrostática.

p O dispositivo de Berkeley incorpora ambos os métodos para ajustar a resposta à luz terahertz. Matrizes de microfibra foram feitas depositando uma camada de carbono com a espessura de um átomo em uma folha de cobre, em seguida, transferir a camada de grafeno para um substrato de óxido de silício e gravar padrões de fita nele. Um gel iônico com pontos de contato para variação da voltagem foi colocado em cima do grafeno.

p O microarray de grafeno fechado foi iluminado com radiação terahertz na linha de luz 1.4 da fonte de luz avançada do Berkeley Lab, e as medições de transmissão foram feitas com o espectrômetro infravermelho da linha de luz. Desta forma, a equipe de pesquisa demonstrou o acoplamento entre a luz e os plasmons que eram mais fortes em uma ordem de magnitude do que em outros sistemas 2D.

p Um método final de controlar a força do plasmon e a absorção de terahertz depende da polarização. A luz que brilha na mesma direção que as fitas de grafeno não mostra variações na absorção de acordo com a frequência. Mas a luz em ângulos retos com as fitas - a mesma orientação do mar oscilante de elétrons - produz picos de absorção agudos. O que mais, absorção de luz em sistemas semicondutores 2D convencionais, como poços quânticos, só pode ser medido em temperaturas próximas do zero absoluto. A equipe de Berkeley mediu picos de absorção proeminentes em temperatura ambiente.

p "A radiação Terahertz cobre uma faixa espectral difícil de trabalhar, porque até agora não havia ferramentas, "diz Wang." Agora temos o início de um conjunto de ferramentas para trabalhar nesta faixa, potencialmente levando a uma variedade de metamateriais terahertz baseados em grafeno. "

p A configuração experimental de Berkeley é apenas um precursor dos dispositivos que virão, que será capaz de controlar a polarização e modificar a intensidade da luz terahertz e habilitar outros componentes ópticos e eletrônicos, em aplicações de imagens médicas a astronomia - tudo em duas dimensões.