I ricercatori hanno sviluppato una tecnica per l'imaging di fotocorrenti THz con risoluzione su scala nanometrica, e lo ha applicato per visualizzare onde THz fortemente compresse (plasmoni) in un fotorilevatore di grafene. Le lunghezze d'onda estremamente corte e i campi altamente concentrati di questi plasmoni aprono nuove strade per lo sviluppo di dispositivi THz optoelettronici miniaturizzati.

Le radiazioni nell'intervallo di frequenza dei terahertz (THz) stanno attirando un grande interesse a causa del suo molteplice potenziale di applicazione per l'imaging non distruttivo, comunicazione o rilevamento wireless di nuova generazione. Ma ancora, il generatore, il rilevamento e il controllo delle radiazioni THz devono affrontare numerose sfide tecnologiche. Particolarmente, le lunghezze d'onda relativamente lunghe (da 30 a 300 mm) della radiazione THz richiedono soluzioni per l'integrazione su scala nanometrica di dispositivi THz o per applicazioni di rilevamento e imaging su scala nanometrica.

Negli ultimi anni, la plasmonica del grafene è diventata una piattaforma molto promettente per ridurre le onde THz. Si basa sull'interazione della luce con le oscillazioni collettive degli elettroni nel grafene, dando origine a onde elettromagnetiche che prendono il nome di plasmoni. I plasmoni di grafene si propagano con lunghezza d'onda fortemente ridotta e possono concentrare i campi THz a dimensioni della scala della lunghezza d'onda inferiore, mentre i plasmoni stessi possono essere controllati elettricamente.

Ora, ricercatori del CIC nanoGUNE (San Sebastian, Spagna) in collaborazione con ICFO (Barcellona, Spagna), IIT (Genova, Italia) - membri della EU Graphene Flagship - Columbia University (New York, STATI UNITI D'AMERICA), Radboud University (Nijmegen, Olanda), NIM (Tsukuba, Giappone) e Neaspec (Martinsried, Germania) potrebbe visualizzare plasmoni THz fortemente compressi e confinati in un rilevatore di THz a temperatura ambiente basato sul grafene. Per vedere i plasmoni, hanno registrato una mappa su nanoscala della fotocorrente prodotta dal rilevatore mentre una punta di metallo appuntita veniva scansionata su di essa. La punta aveva la funzione di focalizzare l'illuminazione THz su uno spot di circa 50 nm, che è circa 2000 volte inferiore alla lunghezza d'onda di illuminazione. Questa nuova tecnica di imaging, denominata nanoscopia fotocorrente THz, fornisce possibilità senza precedenti per la caratterizzazione delle proprietà optoelettroniche alle frequenze THz.

Il team ha registrato immagini fotocorrenti del rilevatore di grafene, mentre era illuminato con radiazione THz di circa 100 mm di lunghezza d'onda. Le immagini hanno mostrato oscillazioni della fotocorrente, rivelando che plasmoni THz con una lunghezza d'onda ridotta di oltre 50 volte si stavano propagando nel dispositivo mentre producevano una fotocorrente.

"All'inizio siamo rimasti piuttosto sorpresi dalla lunghezza d'onda estremamente corta del plasmone, poiché i plasmoni di grafene THz sono in genere molto meno compressi", dice l'ex ricercatore nanoGUNE Pablo Alonso, ora all'Università di Oviedo, e primo autore dell'opera. "Siamo riusciti a risolvere il puzzle con studi teorici, che ha mostrato che i plasmoni si accoppiano con la porta metallica sotto il grafene", lui continua. "Questo accoppiamento porta a un'ulteriore compressione dei plasmoni e a un estremo confinamento del campo, che potrebbe aprire la porta verso varie applicazioni di rivelatori e sensori", aggiunge Rainer Hillenbrand, Ikerbasque Research Professor e Nanooptics Group Leader presso nanoGUNE che ha guidato la ricerca. I plasmoni mostrano anche una dispersione lineare - il che significa che la loro energia è proporzionale al loro slancio - che potrebbe essere vantaggiosa per le tecnologie dell'informazione e della comunicazione. Il team ha anche analizzato la durata dei plasmoni THz, che ha mostrato che lo smorzamento dei plasmoni THz è determinato dalle impurità nel grafene.

La nanoscopia fotocorrente THz si basa sul forte effetto fototermoelettrico del grafene, che trasforma il calore generato dai campi THz, compreso quello dei plasmoni THz, in una corrente. Nel futuro, il forte effetto termoelettrico potrebbe essere applicato anche per il rilevamento di plasmoni THz su chip nei circuiti plasmonici di grafene. La tecnica per la nanoimaging a fotocorrente THz potrebbe trovare ulteriori potenziali applicativi oltre l'imaging plasmonico, Per esempio, per lo studio delle proprietà optoelettroniche THz locali di altri materiali 2D, gas di elettroni 2D classici o nanostrutture di semiconduttori.