Os pesquisadores desenvolveram uma técnica de geração de imagens de fotocorrentes THz com resolução em nanoescala, e aplicou-o para visualizar ondas THz fortemente comprimidas (plasmons) em um fotodetector de grafeno. Os comprimentos de onda extremamente curtos e os campos altamente concentrados desses plasmons abrem novos locais para o desenvolvimento de dispositivos THz optoeletrônicos miniaturizados.

A radiação na faixa de frequência terahertz (THz) está atraindo grande interesse devido ao seu potencial de aplicação múltiplo para imagens não destrutivas, comunicação ou detecção sem fio de última geração. Mas ainda, a geração, detectar e controlar a radiação THz enfrenta vários desafios tecnológicos. Particularmente, os comprimentos de onda relativamente longos (de 30 a 300 mm) da radiação THz requerem soluções para integração em nanoescala de dispositivos THz ou para aplicações de detecção e imagem em nanoescala.

Nos últimos anos, A grafeno plasmônica se tornou uma plataforma altamente promissora para a redução de ondas THz. É baseado na interação da luz com oscilações eletrônicas coletivas no grafeno, dando origem a ondas eletromagnéticas que são chamadas de plasmons. Os plasmons de grafeno se propagam com comprimento de onda fortemente reduzido e podem concentrar campos THz em dimensões de escala de comprimento de onda, enquanto os próprios plasmons podem ser controlados eletricamente.

Agora, pesquisadores do CIC nanoGUNE (San Sebastian, Espanha) em colaboração com ICFO (Barcelona, Espanha), IIT (Genova, Itália) - membros do EU Graphene Flagship - Columbia University (Nova York, EUA), Radboud University (Nijmegen, Holanda), NIM (Tsukuba, Japão) e Neaspec (Martinsried, Alemanha) puderam visualizar plasmons THz fortemente comprimidos e confinados em um detector de THz à temperatura ambiente baseado em grafeno. Para ver os plasmons, eles gravaram um mapa em nanoescala da fotocorrente que o detector produziu enquanto uma ponta de metal afiada era digitalizada nele. A ponta tinha a função de focar a iluminação THz para um tamanho de ponto de cerca de 50 nm, que é cerca de 2.000 vezes menor que o comprimento de onda de iluminação. Esta nova técnica de imagem, chamada nanoscopia de fotocorrente THz, oferece possibilidades sem precedentes para caracterizar propriedades optoeletrônicas em frequências THz.

A equipe gravou imagens fotocorrentes do detector de grafeno, enquanto ele foi iluminado com radiação THz de cerca de 100 mm de comprimento de onda. As imagens mostraram oscilações de fotocorrente, revelando que plasmons THz com comprimento de onda reduzido em mais de 50 vezes se propagavam no dispositivo enquanto produziam uma fotocorrente.

"No início, ficamos bastante surpresos com o comprimento de onda extremamente curto do plasmon, como plasmons de grafeno THz são normalmente muito menos comprimidos ", diz o ex-pesquisador do nanoGUNE Pablo Alonso, agora na Universidade de Oviedo, e primeiro autor da obra. “Conseguimos resolver o quebra-cabeça por meio de estudos teóricos, que mostrou que os plasmons se acoplam com a porta de metal abaixo do grafeno ", ele continua. "Este acoplamento leva a uma compressão adicional dos plasmons e um confinamento de campo extremo, que poderia abrir a porta para várias aplicações de detector e sensor ", adiciona Rainer Hillenbrand, Professor de pesquisa Ikerbasque e líder do grupo de nanoótica no nanoGUNE que liderou a pesquisa. Os plasmons também apresentam uma dispersão linear - o que significa que sua energia é proporcional ao seu momento - o que pode ser benéfico para as tecnologias de informação e comunicação. A equipe também analisou o tempo de vida dos plasmons THz, que mostrou que o amortecimento de plasmons THz é determinado pelas impurezas no grafeno.

A nanoscopia de fotocorrente THz se baseia no forte efeito fototermoelétrico do grafeno, que transforma o calor gerado por campos THz, incluindo o de plasmons THz, em uma corrente. No futuro, o forte efeito termoelétrico também pode ser aplicado para detecção de plasmon THz no chip em circuitos de grafeno plasmônico. A técnica de nanoimagem de fotocorrente THz pode encontrar maior potencial de aplicação além da imagem de plasmon, por exemplo, para estudar as propriedades optoeletrônicas THz locais de outros materiais 2D, gases de elétrons 2D clássicos ou nanoestruturas semicondutoras.