p À medida que os dispositivos e circuitos eletrônicos encolhem para a nanoescala, a capacidade de transferir dados em um chip, em baixa potência com pouca perda de energia, está se tornando um desafio crítico. Na última década, espremer luz em pequenos dispositivos e circuitos tem sido um dos principais objetivos dos pesquisadores da nanofotônica. Oscilações eletrônicas na superfície dos metais, conhecido como polaritons de plasmon de superfície ou plasmons para abreviar, tornaram-se uma área de foco intensa. Plasmons são híbridos de luz (fótons) e elétrons em um metal. Se os pesquisadores puderem aproveitar este nanolight, eles serão capazes de melhorar a detecção, guia de onda de comprimento de onda, e transmissão óptica de sinais. p Os investigadores da Columbia fizeram um grande avanço nesta pesquisa, com a invenção de um novo microscópio óptico de campo próximo criogênico "feito em casa" que lhes permitiu obter imagens diretamente, pela primeira vez, a propagação e dinâmica de plasmons de grafeno em temperaturas variáveis ​​até 250 graus Celsius negativos. O estudo foi publicado online hoje em Natureza .

p "Nosso estudo dependente da temperatura agora nos dá uma visão física direta sobre a física fundamental da propagação do plasmon no grafeno, "diz Dimitri N. Basov, professor de física na Columbia University, que liderou o estudo junto com os colegas Cory Dean (física) e James Hone (engenharia mecânica, Columbia Engineering). "Essa percepção foi impossível de obter em estudos anteriores de nanoimagem feitos em temperatura ambiente. Ficamos particularmente surpresos ao descobrir, depois de muitos anos de tentativas fracassadas de chegar perto, esse nanolight compacto pode viajar ao longo da superfície do grafeno por distâncias de muitas dezenas de mícrons sem espalhamento indesejado. A física que limita a faixa de deslocamento do nanolight é uma descoberta fundamental de nosso estudo e pode levar a novas aplicações em sensores, imagem, e processamento de sinal. "

p Basov, Reitor, e Hone reúnem anos de experiência no trabalho com grafeno, o material de um átomo de espessura que é um dos candidatos mais promissores para novos materiais fotônicos. As propriedades ópticas do grafeno são facilmente ajustáveis ​​e podem ser alteradas em escalas de tempo ultrarrápidas. Contudo, implementar nanolight sem introduzir dissipação indesejada no grafeno tem sido muito difícil de conseguir.

p Os pesquisadores de Columbia desenvolveram uma abordagem prática para confinar a luz à nanoescala. Eles sabiam que podiam formar polaritons de plasmon, ou modos ressonantes, no grafeno que se propagam através do material como excitações híbridas de luz e elétrons móveis. Esses modos de plasmon-polariton podem confinar a energia da radiação eletromagnética, ou luz, até a nanoescala. O desafio era como visualizar essas ondas com resolução espacial ultra-alta, para que eles pudessem estudar o desempenho dos modos plasmônicos em temperaturas variadas.

p Alexander S. McLeod, um cientista de pesquisa pós-doutorado no Laboratório de Nano-óptica Basov, construiu um microscópio exclusivo que permitiu à equipe explorar as ondas de plasmon-polariton em alta resolução enquanto resfriavam o grafeno a temperaturas criogênicas. Abaixar as temperaturas permitiu que eles "desligassem" várias dispersões, ou dissipação, mecanismos, um após o outro, conforme eles resfriavam suas amostras e aprendiam quais mecanismos eram relevantes.

p "Agora que nossos novos recursos de nanoimagem foram implantados em baixas temperaturas, podemos ver diretamente a propagação de onda não mitigada de excitações coletivas de luz e carga dentro do grafeno, "diz McLeod, co-autor do estudo com Guangxin Ni, também um cientista pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Basov. "Muitas vezes na física, como na vida, ver verdadeiramente para crer! O alcance recorde de viagens dessas ondas mostra que elas estão destinadas a ter vida própria, canalizando sinais e informações para frente e para trás dentro de dispositivos ópticos de próxima geração. "

p O estudo é o primeiro a demonstrar as limitações fundamentais para a propagação de ondas polariton de plasmon no grafeno. A equipe descobriu que plasmons de grafeno se propagam balisticamente, em dezenas de micrômetros, em todo o dispositivo minúsculo. Esses modos de plasmon estão confinados em um volume de centenas de espaço, se não milhares, de vezes menor do que o ocupado pela luz em propagação livre.

p Plasmons no grafeno podem ser ajustados e controlados por meio de um campo elétrico externo, que dá ao grafeno uma grande vantagem sobre a mídia plasmônica convencional, como superfícies de metal, que são inerentemente não ajustáveis. Além disso, a vida útil das ondas de plasmon no grafeno agora excede a dos metais por um fator de 10 a 100, enquanto se propaga em distâncias comparativamente maiores. Esses recursos oferecem enormes vantagens para o grafeno como meio plasmônico em circuitos optoeletrônicos de última geração.

p "Nossos resultados estabelecem que o grafeno está entre os melhores materiais candidatos para plasmônicos infravermelhos, com aplicações em imagem, de detecção, and nano-scale manipulation of light, " says Hone. "Furthermore, our findings reveal the fundamental physics of processes that limit propagation of plasmon waves in graphene. This monumental insight will guide future efforts in nanostructure engineering, which may be able to remove the remaining roadblocks for long-range travel of versatile nanoconfined light within future optical devices."

p The current study is the beginning of a series of low-temperature investigations focused on controlling and manipulating confined plasmons in nanoscale optoelectronic graphene devices. The team is now using low-temperature nanoimaging to explore novel plasmonics effects such as electrically-induced plasmonic reflection and modulation, topological chiral plasmons, and also superconducting plasmonics in the very recently discovered "magic angle" system of twisted bilayer graphene.

p The study is titled "Fundamental limits to graphene plasmonics."