I plasmoni di superficie nel grafene sono stati ampiamente studiati negli ultimi dieci anni a causa delle loro proprietà molto attraenti, come la forte sintonizzabilità delle sue proprietà ottiche attraverso il gating elettrico e la durata relativamente elevata del plasmone. Però, queste proprietà eccezionali sono limitate alle frequenze più basse che vanno dalle regioni spettrali del medio infrarosso (medio IR) ai terahertz (THz). Inoltre, la sintonizzabilità elettrica del grafene non può essere ottenuta in modo ultraveloce, ciò che costituisce un ostacolo alla sua applicazione in dispositivi tecnologici ad alta velocità che stanno diventando sempre più importanti.

In un nuovo articolo pubblicato su Scienza e applicazione della luce , un team dell'ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques (Barcellona, Spagna) ha proposto una tecnica completamente ottica per modulare la risposta plasmonica di sistemi a base di grafene e/o metallo sottile in modo ultraveloce, in uno spettro che va dal medio infrarosso alle frequenze visibili (vis-NIR). Propongono una configurazione pump-probe in cui viene utilizzato un raggio di pompa ultraveloce e molto intenso per riscaldare gli elettroni del grafene. Sulla base della bassa capacità termica di questo materiale 2-D, il che significa che una piccola quantità di energia assorbita da questo materiale può indurre un grande aumento della temperatura dei suoi elettroni, e sulla forte dipendenza della conduttività del grafene con la sua temperatura elettronica, le proprietà ottiche del sistema saranno modulate dall'aumento elettronico della temperatura, e questo può essere misurato dal raggio della sonda.

interessante, questa tecnica può essere utilizzata per eccitare otticamente i plasmoni non solo nel foglio di grafene, ma anche in un sottile strato metallico posto accanto ad esso. A seguito di un precedente lavoro dello stesso gruppo, propongono di farlo progettando un fascio di pompa in modo tale che la sua intensità del fronte d'onda vari spazialmente in modo periodico. Come tale, la temperatura elettronica nel grafene (e successivamente la sua conducibilità) varia anche localmente nella superficie del foglio, agendo come un reticolo efficace che disperde il raggio della sonda e lo accoppia in plasmoni. A seconda della lunghezza d'onda del fascio della sonda e della presenza di un film sottile metallico vicino al foglio di grafene, questa tecnica può essere utilizzata per eccitare sia i plasmoni di grafene (mid-IR), plasmoni metallici (vis-NIR) o plasmoni acustici ibridi (THz). "In questo modo, si possono eccitare e manipolare plasmoni in un'ampia gamma spettrale senza la necessità di schemi laterali o l'utilizzo di dispositivi esterni, come i suggerimenti di SNOM, accoppiare la luce che si propaga in plasmoni, " hanno aggiunto gli autori.

In una nota diversa, gli autori propongono di impiegare effetti fototermici su scala nanometrica per ottenere una modulazione ultraveloce della luce. Immaginano una struttura composta da un sottile reticolo metallico sopra un foglio di grafene drogato a un certo livello di Fermi. Quindi, aumentando la temperatura degli elettroni di grafene tramite un fascio di pompa, il potenziale chimico del grafene diminuirà, e le transizioni interbanda nel grafene diventeranno significative a energie più basse, e spegnerà il picco plasmonico misurato dalla riflessione di un raggio di sonda. "La temperatura degli elettroni del grafene può raggiungere diverse migliaia di Kelvin, con conseguente smorzamento del picco di riflessione fino al 70%, " affermano gli autori. Un effetto simile può essere osservato nei plasmoni acustici di grafene, ma in questo caso il motivo dell'estinzione è l'aumento delle perdite anelastiche del grafene con la temperatura elettronica. "In entrambi i casi, la modulazione della risposta ottica è ultraveloce, a differenza dei modi alternativi per modulare la risposta, come cambiare elettricamente il livello di Fermi di grafene, " hanno aggiunto gli autori.

"Il nostro studio apre una strada promettente verso la manipolazione fototermica attiva della risposta ottica in materiali atomicamente sottili con potenziali applicazioni nella modulazione della luce ultraveloce, " concludono gli autori.