I ricercatori KAIST ei loro collaboratori in patria e all'estero hanno dimostrato con successo una nuova metodologia per l'imaging ottico diretto in campo vicino dei campi di plasmoni di grafene acustico. Questa strategia fornirà una svolta per le applicazioni pratiche delle piattaforme plasmoniche di grafene acustico nella prossima generazione, alte prestazioni, dispositivi optoelettronici a base di grafene con interazioni luce-materia migliorate e minore perdita di propagazione.

È stato recentemente dimostrato che i plasmoni di grafene, oscillazioni collettive di elettroni liberi nel grafene accoppiati a onde elettromagnetiche di luce, può essere utilizzato per intrappolare e comprimere le onde ottiche all'interno di uno strato dielettrico molto sottile che separa il grafene da un foglio metallico. In tale configurazione, gli elettroni di conduzione del grafene sono "riflessi" nel metallo, quindi quando le onde luminose "spingono" gli elettroni nel grafene, anche le loro cariche di immagine nel metallo iniziano a oscillare. Questo nuovo tipo di modalità di oscillazione elettronica collettiva è chiamata "plasmone di grafene acustico (AGP)".

L'esistenza dell'AGP poteva essere osservata in precedenza solo tramite metodi indiretti come la spettroscopia infrarossa a campo lontano e la mappatura della fotocorrente. Questa osservazione indiretta è stato il prezzo che i ricercatori hanno dovuto pagare per la forte compressione delle onde ottiche all'interno di strutture sottilissime. Si riteneva che l'intensità dei campi elettromagnetici all'esterno del dispositivo fosse insufficiente per l'imaging ottico diretto dell'AGP in campo vicino.

Sfidato da queste limitazioni, tre gruppi di ricerca hanno unito i loro sforzi per riunire una tecnica sperimentale unica utilizzando metodi avanzati di nanofabbricazione. I loro risultati sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura il 19 febbraio.

Un gruppo di ricerca KAIST guidato dal professor Min Seok Jang della School of Electrical Engineering ha utilizzato un microscopio ottico a scansione di campo vicino (s-SNOM) di tipo scattering altamente sensibile per misurare direttamente i campi ottici delle onde AGP che si propagano in un nanometro-sottile guida d'onda, visualizzando per la prima volta una compressione mille volte superiore della luce nel medio infrarosso.

Il professor Jang e un ricercatore post-dottorato nel suo gruppo, Sergey G. Menabde, ottenuto con successo immagini dirette delle onde AGP sfruttando il loro campo elettrico in rapido decadimento ma sempre presente sopra il grafene. Hanno dimostrato che gli AGP sono rilevabili anche quando la maggior parte della loro energia scorre all'interno del dielettrico sotto il grafene.

Ciò è stato possibile grazie alle superfici ultra lisce all'interno delle nanoguide dove le onde plasmoniche possono propagarsi a distanze maggiori. La modalità AGP sondata dai ricercatori era fino a 2,3 volte più confinata e mostrava una cifra di merito 1,4 volte superiore in termini di lunghezza di propagazione normalizzata rispetto al plasmone di superficie del grafene in condizioni simili.

Queste nanostrutture ultra-lisce delle guide d'onda utilizzate nell'esperimento sono state create utilizzando un metodo di rimozione dei modelli dal professor Sang-Hyun Oh e da un ricercatore post-dottorato, In-Ho Lee, dal Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica dell'Università del Minnesota.

Il professor Young Hee Lee e i suoi ricercatori del Center for Integrated Nanostructure Physics (CINAP) dell'Institute of Basic Science (IBS) della Sungkyunkwan University hanno sintetizzato il grafene con una struttura monocristallina, e questa alta qualità, il grafene ad ampia area ha consentito la propagazione plasmonica a bassa perdita.

Le proprietà chimiche e fisiche di molte importanti molecole organiche possono essere rilevate e valutate dalle loro firme di assorbimento nello spettro del medio infrarosso. Però, i metodi di rilevamento convenzionali richiedono un gran numero di molecole per il rilevamento di successo, considerando che i campi AGP ultra-compressi possono fornire forti interazioni luce-materia a livello microscopico, migliorando così significativamente la sensibilità di rilevamento fino a una singola molecola.

Per di più, lo studio condotto dal professor Jang e dal team ha dimostrato che gli AGP nel medio infrarosso sono intrinsecamente meno sensibili alle perdite nel grafene a causa del fatto che i loro campi sono per lo più confinati all'interno del dielettrico. I risultati riportati dal team di ricerca suggeriscono che gli AGP potrebbero diventare una piattaforma promettente per dispositivi optoelettronici basati su grafene sintonizzabili elettricamente che in genere soffrono di tassi di assorbimento più elevati nel grafene come le metasuperfici, interruttori ottici, fotovoltaico, e altre applicazioni optoelettroniche operanti a frequenze infrarosse.

Il professor Jang ha detto, "La nostra ricerca ha rivelato che è possibile accedere direttamente ai campi elettromagnetici ultra-compressi dei plasmoni di grafene acustico attraverso metodi di microscopia ottica in campo vicino. Spero che questa realizzazione motiverà altri ricercatori ad applicare gli AGP a vari problemi in cui forti interazioni luce-materia e minore propagazione servono perdite».