Plasmões de superfície em grafeno foram amplamente estudados na última década devido às suas propriedades muito atraentes, como a forte sintonia de suas propriedades ópticas por meio de portas elétricas e a vida útil do plasmon relativamente alta. Contudo, essas propriedades excepcionais são limitadas a frequências mais baixas que variam das regiões espectrais do infravermelho médio (IR médio) ao terahertz (THz). Adicionalmente, a sintonia elétrica do grafeno não pode ser alcançada de maneira ultrarrápida, o que representa um obstáculo para sua aplicação em dispositivos tecnológicos de alta velocidade que estão se tornando cada vez mais importantes.

Em um novo artigo publicado em Ciência leve e aplicação , uma equipe do ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques (Barcelona, Espanha) propôs uma técnica totalmente ótica para modular a resposta plasmônica de sistemas baseados em grafeno e / ou metal fino de uma maneira ultrarrápida, em um espectro que varia de infravermelho médio a frequências visíveis (vis-NIR). Eles propõem uma configuração de bomba-sonda onde um feixe de bomba ultrarrápido e muito intenso é usado para aquecer os elétrons do grafeno. Com base na baixa capacidade de calor deste material 2-D - o que significa que uma pequena quantidade de energia absorvida por este material pode induzir um grande aumento na temperatura de seus elétrons - e na forte dependência da condutividade do grafeno com sua temperatura eletrônica, as propriedades ópticas do sistema serão moduladas pelo aumento eletrônico da temperatura, e isso pode ser medido pelo feixe de prova.

Interessantemente, esta técnica pode ser usada para excitar totalmente opticamente plasmons, não apenas na folha de grafeno, mas também em uma fina camada metálica colocada próximo a ele. Seguindo um trabalho anterior do mesmo grupo, eles propõem fazê-lo projetando um feixe de bombeamento de modo que sua intensidade de frente de onda varie espacialmente de maneira periódica. Como tal, a temperatura eletrônica no grafeno (e subsequentemente sua condutividade) também varia localmente na superfície da folha, atuando como uma grade eficaz que espalha o feixe de sondagem e o acopla em plasmons. Dependendo do comprimento de onda do feixe de sonda e da presença de um filme fino metálico próximo à folha de grafeno, esta técnica pode ser usada para excitar plasmons de grafeno (mid-IR), plasmões metálicos (vis-NIR) ou plasmões acústicos híbridos (THz). "Desta maneira, pode-se excitar e manipular plasmons em uma ampla faixa espectral sem a necessidade de padronização lateral ou usando dispositivos externos, como dicas SNOM, para acoplar a propagação da luz em plasmons, "acrescentaram os autores.

Em uma nota diferente, os autores propõem o emprego de efeitos fototérmicos em nanoescala para obter uma modulação ultrarrápida da luz. Eles imaginam uma estrutura composta de uma grade metálica fina no topo de uma folha de grafeno dopada em algum nível de Fermi. Então, aumentando a temperatura dos elétrons de grafeno por meio de um feixe de bomba, o potencial químico do grafeno diminuirá, e as transições entre bandas no grafeno se tornarão significativas em energias mais baixas, e extinguirá o pico plasmônico medido pela reflexão de um feixe de sonda. "A temperatura dos elétrons do grafeno pode atingir vários milhares de Kelvins, resultando em um amortecimento do pico de reflexão de até 70%, "afirmam os autores. Um efeito semelhante pode ser observado em plasmons acústicos de grafeno, mas neste caso a razão para a têmpera é o aumento das perdas inelásticas de grafeno com a temperatura eletrônica. "Em ambos os casos, a modulação da resposta óptica é ultrarrápida, ao contrário de formas alternativas de modular a resposta, como alterar eletricamente o nível Fermi de grafeno, "acrescentaram os autores.

"Nosso estudo abre um caminho promissor para a manipulação fototérmica ativa da resposta óptica em materiais atomicamente finos com aplicações potenciais em modulação de luz ultrarrápida, "concluem os autores.