I ricercatori del CIC nanoGUNE, in collaborazione con ICFO e Graphenea, hanno dimostrato come la luce infrarossa può essere catturata da nanostrutture fatte di grafene. Questo accade quando la luce si accoppia per caricare le oscillazioni nel grafene. La risultante miscela di oscillazioni di luce e carica, chiamato plasmone, può essere spremuto in volumi record milioni di volte più piccoli rispetto alle convenzionali cavità ottiche dielettriche. Questo processo è stato visualizzato dai ricercatori per la prima volta con l'aiuto di uno stato dell'arte, microscopio a campo vicino e spiegato dalla teoria. I ricercatori hanno identificato due tipi di plasmoni, modalità bordo e foglio, che si propagano lungo il foglio o lungo i bordi del foglio. I plasmoni di bordo sono unici per la loro capacità di incanalare l'energia elettromagnetica in una dimensione.

Il lavoro, segnalato in Fotonica della natura , apre nuove opportunità per fotorivelatori ultra-piccoli ed efficienti, sensori e altri nanodispositivi fotonici e optoelettronici.

Le tecnologie basate sul grafene consentono nanodispositivi ottici estremamente piccoli. La lunghezza d'onda della luce catturata da un foglio di grafene, un foglio monostrato di atomi di carbonio, può essere ridotto di un fattore 100 rispetto alla luce che si propaga nello spazio libero. Come conseguenza, la luce che si propaga lungo il foglio di grafene, che si chiama grafene plasmone, richiede molto meno spazio. Per tale motivo, i dispositivi fotonici possono essere resi molto più piccoli. La concentrazione del campo plasmonico può essere ulteriormente potenziata fabbricando nanostrutture di grafene che agiscono come nanorisonatori per i plasmoni. Il campo potenziato ha già trovato applicazione nel fotorilevamento potenziato a infrarossi e terahertz e nel rilevamento vibrazionale a infrarossi di molecole, tra l'altro.

"Lo sviluppo di dispositivi efficienti basati su nanorisonatori plasmonici di grafene dipenderà in modo critico dalla comprensione e dal controllo precisi delle modalità plasmoniche al loro interno, " dice il dottor Pablo Alonso-Gonzalez, (ora all'Università di Oviedo) che ha eseguito l'imaging nello spazio reale dei nanorisonatori di grafene con un microscopio a campo vicino.

"Siamo stati fortemente impressionati dalla diversità dei contrasti plasmonici osservati nelle immagini in campo vicino, "dice il dottor Alexey Nikitin, Ikerbasque Research Fellow presso nanoGUNE, che sviluppò la teoria per identificare i singoli modi plasmonici.

Il team di ricerca ha districato le singole modalità plasmoniche e le ha separate in due classi diverse. La prima classe di plasmoni - "plasmoni a foglio" - può esistere "all'interno" di nanostrutture di grafene, estendendosi su tutta l'area del grafene. Al contrario, la seconda classe di plasmoni - "plasmoni di bordo" - può propagarsi esclusivamente lungo i bordi delle nanostrutture di grafene, portando a modalità di galleria sussurrante in nanorisonatori a forma di disco o risonanze di Fabry-Perot in nanorettangoli di grafene a causa della riflessione ai loro angoli. I plasmoni di bordo sono molto meglio confinati rispetto ai plasmoni di foglio e, più importante, trasferire l'energia in un'unica dimensione.

Le immagini dello spazio reale rivelano modalità del bordo dipolare con un volume di modalità 100 milioni di volte più piccolo di un cubo della lunghezza d'onda dello spazio libero. I ricercatori hanno anche misurato la dispersione (energia in funzione della quantità di moto) dei plasmoni di bordo in base alle loro immagini in campo vicino, evidenziando la lunghezza d'onda ridotta dei plasmoni di bordo rispetto ai plasmoni di foglio. Grazie alle loro proprietà uniche, i plasmoni di bordo potrebbero essere una piattaforma promettente per accoppiare punti quantici o singole molecole in futuri dispositivi optoelettronici quantistici.

"I nostri risultati forniscono anche nuove informazioni sulla fisica della microscopia in campo vicino dei plasmoni di grafene, che potrebbe essere molto utile per interpretare immagini in campo vicino di altre interazioni luce-materia in materiali bidimensionali, ", afferma il professor Rainer Hillenbrand di Ikerbasque Research, che ha guidato il progetto.