Man mano che i dispositivi e i circuiti elettronici si riducono alla nanoscala, la capacità di trasferire dati su un chip, a bassa potenza con poca perdita di energia, sta diventando una sfida critica. Nell'ultimo decennio, spremere la luce in piccoli dispositivi e circuiti è stato uno degli obiettivi principali dei ricercatori di nanofotonica. Oscillazioni elettroniche sulla superficie dei metalli, noti come polaritoni plasmonici di superficie o plasmoni in breve, sono diventati un'area intensa di attenzione. I plasmoni sono ibridi di luce (fotoni) ed elettroni in un metallo. Se i ricercatori possono sfruttare questa nanoluce, saranno in grado di migliorare il rilevamento, guida d'onda a lunghezza d'onda inferiore, e trasmissione ottica dei segnali.

Gli investigatori della Columbia hanno fatto un importante passo avanti in questa ricerca, con la loro invenzione di un nuovo microscopio ottico criogenico a campo vicino "autocostruito" che ha permesso loro di visualizzare direttamente, per la prima volta, la propagazione e la dinamica dei plasmoni di grafene a temperature variabili fino a negativi 250 gradi Celsius. Lo studio è stato pubblicato online oggi in Natura .

"Il nostro studio dipendente dalla temperatura ora ci fornisce una visione fisica diretta della fisica fondamentale della propagazione dei plasmoni nel grafene, " dice Dimitri N. Basov, professore di fisica alla Columbia University, che ha condotto lo studio insieme ai colleghi Cory Dean (fisica) e James Hone (ingegneria meccanica, Ingegneria della Colombia). "Questa intuizione era impossibile da ottenere in precedenti studi di nanoimaging condotti a temperatura ambiente. Siamo rimasti particolarmente sorpresi nello scoprire, dopo molti anni di tentativi falliti di avvicinarsi, quella nanoluce compatta può viaggiare lungo la superficie del grafene per distanze di molte decine di micron senza scattering indesiderato. La fisica che limita il raggio di viaggio della nanoluce è una scoperta fondamentale del nostro studio e potrebbe portare a nuove applicazioni nei sensori, immagini, ed elaborazione del segnale."

Basov, Decano, e Hone riuniscono anni di esperienza nel lavoro con il grafene, il materiale dello spessore di un atomo che è uno dei candidati più promettenti per nuovi materiali fotonici. Le proprietà ottiche del grafene sono facilmente regolabili e possono essere modificate su scale temporali ultraveloci. Però, implementare la nanoluce senza introdurre una dissipazione indesiderata nel grafene è stato molto difficile da ottenere.

I ricercatori della Columbia hanno sviluppato un approccio pratico per confinare la luce su scala nanometrica. Sapevano di poter formare polaritoni plasmonici, o modi risonanti, nel grafene che si propagano attraverso il materiale come eccitazioni ibride di luce ed elettroni mobili. Queste modalità plasmone-polaritone possono confinare l'energia della radiazione elettromagnetica, o luce, fino alla nanoscala. La sfida era come visualizzare queste onde con una risoluzione spaziale ultraelevata, in modo che potessero studiare le prestazioni dei modi plasmonici a temperature variabili.

Alexander S. McLeod, un ricercatore post-dottorato presso il Basov Nano-optics Laboratory, ha costruito un microscopio unico che ha permesso al team di esplorare le onde plasmone-polaritone ad alta risoluzione mentre raffreddavano il grafene a temperature criogeniche. L'abbassamento delle temperature ha permesso loro di "spegnere" vari scattering, o dissipazione, meccanismi, uno dopo l'altro, mentre raffreddavano i loro campioni e imparavano quali meccanismi erano rilevanti.

"Ora che le nostre nuove capacità di nanoimaging sono state implementate a basse temperature, possiamo vedere direttamente la propagazione ondulatoria senza attenuazione delle eccitazioni collettive di luce e carica all'interno del grafene, "dice McLeod, co-autore principale dello studio con Guangxin Ni, anche un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Basov. "Spesso in fisica, come nella vita, vedere veramente per credere! L'autonomia di viaggio da record di queste onde mostra che sono destinate ad assumere una vita propria, incanalare segnali e informazioni avanti e indietro all'interno dei dispositivi ottici di prossima generazione."

Lo studio è il primo a dimostrare i limiti fondamentali per la propagazione delle onde polaritoni plasmoniche nel grafene. Il team ha scoperto che i plasmoni di grafene si propagano balisticamente, su decine di micrometri, in tutto il piccolo dispositivo. Questi modi plasmonici sono confinati in un volume di spazio centinaia, se non migliaia, di volte inferiore a quello occupato dalla luce che si propaga liberamente.

I plasmoni nel grafene possono essere sintonizzati e controllati tramite un campo elettrico esterno, che conferisce al grafene un grande vantaggio rispetto ai mezzi plasmonici convenzionali come le superfici metalliche, che sono intrinsecamente non sintonizzabili. Inoltre, si è scoperto che la durata delle onde plasmoniche nel grafene supera quella dei metalli di un fattore da 10 a 100, propagandosi su distanze relativamente maggiori. Queste caratteristiche offrono enormi vantaggi per il grafene come mezzo plasmonico nei circuiti optoelettronici di prossima generazione.

"I nostri risultati stabiliscono che il grafene si colloca tra i migliori materiali candidati per la plasmonica a infrarossi, con applicazioni nell'imaging, rilevamento, 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."

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.

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