La luce terahertz a lunghezza d'onda lunga è invisibile – si trova all'estremità più lontana del lontano infrarosso – ma è utile per qualsiasi cosa, dal rilevamento di esplosivi all'aeroporto alla progettazione di farmaci alla diagnosi del cancro della pelle. Ora, per la prima volta, scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (Berkeley Lab) e dell'Università della California a Berkeley hanno dimostrato un dispositivo su microscala fatto di grafene - la straordinaria forma di carbonio che ha uno spessore di un solo atomo - la cui forte risposta alla luce a frequenze terahertz può essere sintonizzato con precisione squisita.

"Il cuore del nostro dispositivo è un array di nastri di grafene larghi solo milionesimi di metro, " afferma Feng Wang della divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab, che è anche assistente professore di fisica alla UC Berkeley, e chi ha guidato il gruppo di ricerca. "Variando la larghezza dei nastri e la concentrazione dei portatori di carica in essi, possiamo controllare le oscillazioni collettive degli elettroni nei micronastri".

Il nome per tali oscillazioni collettive di elettroni è "plasmoni, " una parola che suona astrusa ma descrive effetti familiari come i colori ardenti delle vetrate.

"I plasmoni nella luce visibile ad alta frequenza si verificano in nanostrutture metalliche tridimensionali, " dice Wang. I colori delle vetrate medievali, Per esempio, risultano da raccolte oscillanti di elettroni sulle superfici di nanoparticelle d'oro, rame, e altri metalli, e dipendono dalla loro dimensione e forma. "Ma il grafene è spesso solo un atomo, e i suoi elettroni si muovono solo in due dimensioni. Nei sistemi 2D, i plasmoni si verificano a frequenze molto più basse."

La lunghezza d'onda della radiazione terahertz è misurata in centinaia di micrometri (milionesimi di metro), tuttavia la larghezza dei nastri di grafene nel dispositivo sperimentale è solo da uno a quattro micrometri ciascuno.

"Un materiale costituito da strutture con dimensioni molto inferiori alla lunghezza d'onda pertinente, e che presenta proprietà ottiche nettamente diverse dal materiale sfuso, si chiama metamateriale, " dice Wang. "Quindi non abbiamo solo fatto i primi studi sull'accoppiamento di luce e plasmoni nel grafene, abbiamo anche creato un prototipo per i futuri metamateriali a base di grafene nella gamma dei terahertz".

Il team riporta la loro ricerca in Nanotecnologia della natura , disponibile nella pubblicazione online avanzata.

Come spingere i plasmoni

Nel grafene bidimensionale, gli elettroni hanno una piccola massa a riposo e rispondono rapidamente ai campi elettrici. Un plasmone descrive l'oscillazione collettiva di molti elettroni, e la sua frequenza dipende dalla rapidità con cui le onde in questo mare di elettroni si muovono avanti e indietro tra i bordi di un micronastro di grafene. Quando viene applicata la luce della stessa frequenza, il risultato è "eccitazione risonante, " un marcato aumento della forza dell'oscillazione - e simultaneo forte assorbimento della luce a quella frequenza. Poiché la frequenza delle oscillazioni è determinata dalla larghezza dei nastri, variando la loro larghezza è possibile sintonizzare il sistema per assorbire diverse frequenze di luce.

La forza dell'accoppiamento luce-plasmone può anche essere influenzata dalla concentrazione di portatori di carica - elettroni e le loro controparti caricate positivamente, buchi. Una caratteristica notevole del grafene è che la concentrazione dei suoi portatori di carica può essere facilmente aumentata o diminuita semplicemente applicando un forte campo elettrico, il cosiddetto drogaggio elettrostatico.

Il dispositivo Berkeley incorpora entrambi questi metodi per sintonizzare la risposta alla luce terahertz. Gli array di micronastri sono stati realizzati depositando uno strato di carbonio dello spessore di un atomo su un foglio di rame, quindi trasferendo lo strato di grafene su un substrato di ossido di silicio e incidendo su di esso i motivi del nastro. Un gel ionico con punti di contatto per variare la tensione è stato posto sopra il grafene.

Il microarray di grafene gated è stato illuminato con radiazioni terahertz alla linea di luce 1.4 della sorgente di luce avanzata del Berkeley Lab, e le misurazioni della trasmissione sono state effettuate con lo spettrometro a infrarossi della linea di luce. In questo modo il team di ricerca ha dimostrato che l'accoppiamento tra luce e plasmoni era più forte di un ordine di grandezza rispetto ad altri sistemi 2D.

Un metodo finale per controllare la forza dei plasmoni e l'assorbimento dei terahertz dipende dalla polarizzazione. La luce che brilla nella stessa direzione dei nastri di grafene non mostra variazioni nell'assorbimento in base alla frequenza. Ma la luce ad angolo retto rispetto ai nastri – lo stesso orientamento del mare di elettroni oscillanti – produce picchi di assorbimento taglienti. Cosa c'è di più, assorbimento della luce nei sistemi a semiconduttore 2D convenzionali, come i pozzi quantici, può essere misurato solo a temperature prossime allo zero assoluto. Il team di Berkeley ha misurato picchi di assorbimento prominenti a temperatura ambiente.

"La radiazione terahertz copre una gamma spettrale con cui è difficile lavorare, perché fino ad ora non ci sono stati strumenti, " dice Wang. "Ora abbiamo gli inizi di un set di strumenti per lavorare in questa gamma, potenzialmente portando a una varietà di metamateriali terahertz a base di grafene".

La configurazione sperimentale di Berkeley è solo un precursore dei dispositivi a venire, che sarà in grado di controllare la polarizzazione e modificare l'intensità della luce terahertz e abilitare altri componenti ottici ed elettronici, in applicazioni dall'imaging medico all'astronomia, il tutto in due dimensioni.