Pesquisadores do CIC nanoGUNE, em colaboração com ICFO e Graphenea, demonstraram como a luz infravermelha pode ser capturada por nanoestruturas feitas de grafeno. Isso acontece quando a luz se acopla para carregar oscilações no grafeno. A mistura resultante de oscilações de luz e carga, chamado plasmon, pode ser espremido em pequenos volumes recordes milhões de vezes menores do que em cavidades ópticas dielétricas convencionais. Este processo foi visualizado pelos pesquisadores pela primeira vez com a ajuda de um sistema de ponta, microscópio de campo próximo e explicado pela teoria. Os pesquisadores identificaram dois tipos de plasmons - modos de borda e folha - propagando-se ao longo da folha ou ao longo das bordas da folha. Os plasmons de borda são únicos por sua capacidade de canalizar energia eletromagnética em uma dimensão.

O trabalho, relatado em Nature Photonics , abre novas oportunidades para fotodetectores ultra-pequenos e eficientes, sensores e outros nanodispositivos fotônicos e optoeletrônicos.

As tecnologias baseadas em grafeno permitem nanodispositivos ópticos extremamente pequenos. O comprimento de onda da luz capturada por uma folha de grafeno, uma folha monocamada de átomos de carbono, pode ser reduzido por um fator de 100 em comparação com a propagação da luz no espaço livre. Como consequência, a luz se propagando ao longo da folha de grafeno, que é chamado de grafeno plasmon, requer muito menos espaço. Por essa razão, os dispositivos fotônicos podem ser muito menores. A concentração do campo plasmônico pode ser ainda mais aprimorada pela fabricação de nanoestruturas de grafeno que atuam como nanorressonadores para os plasmons. O campo aprimorado já encontrou aplicação em fotodetecção infravermelha e terahertz aprimorada e detecção vibracional infravermelha de moléculas, entre outras coisas.

"O desenvolvimento de dispositivos eficientes baseados em nanorressonadores de grafeno plasmônico dependerá criticamente do entendimento preciso e do controle dos modos plasmônicos dentro deles, "diz o Dr. Pablo Alonso-Gonzalez, (agora na Oviedo University) que realizou a imagem do espaço real dos nanorressonadores de grafeno com um microscópio de campo próximo.

"Ficamos fortemente impressionados com a diversidade de contrastes plasmônicos observados nas imagens de campo próximo, "diz o Dr. Alexey Nikitin, Ikerbasque Research Fellow na nanoGUNE, que desenvolveu a teoria para identificar os modos individuais de plasmon.

A equipe de pesquisa desemaranhou os modos plasmônicos individuais e os separou em duas classes diferentes. A primeira classe de plasmons - "plasmons de folha" - pode existir "dentro" de nanoestruturas de grafeno, estendendo-se por toda a área do grafeno. Por outro lado, a segunda classe de plasmons - "plasmons de borda" - pode se propagar exclusivamente ao longo das bordas de nanoestruturas de grafeno, levando a modos de galeria sussurrantes em nanorressonadores em forma de disco ou ressonâncias Fabry-Perot em nanorretângulos de grafeno devido à reflexão em seus cantos. Os plasmons de borda são muito mais confinados do que os plasmons de folha e, mais importante, transferir a energia em uma única dimensão.

As imagens do espaço real revelam modos de borda dipolar com um volume de modo que é 100 milhões de vezes menor do que um cubo do comprimento de onda do espaço livre. Os pesquisadores também mediram a dispersão (energia em função do momento) dos plasmons de borda com base em suas imagens de campo próximo, destacando o comprimento de onda encurtado de plasmons de borda em comparação com plasmons de folha. Graças às suas propriedades únicas, Os plasmons de borda podem ser uma plataforma promissora para o acoplamento de pontos quânticos ou moléculas únicas em futuros dispositivos optoeletrônicos quânticos.

"Nossos resultados também fornecem novos insights sobre a física da microscopia de campo próximo de plasmons de grafeno, que pode ser muito útil para interpretar imagens de campo próximo de outras interações de matéria-luz em materiais bidimensionais, "diz o professor Rainer Hillenbrand, pesquisador Ikerbasque, que liderou o projeto.