Strojone napięciowo plazmony powierzchniowe

Po raz pierwszy na świecie dwóm niezależnym grupom fizyków udało się wytworzyć oraz kontrolować zbiorowe oscylacje elektronów przewodnictwa, określanych mianem plazmonów, na powierzchni grafenu. Zdaniem naukowców opracowana przez nich (i użyta w tym eksperymencie) metoda badawcza nazwana „plazmonową interferometrią”, może być z powodzeniem stosowana do badania szerokiej gamy materiałów m.in. nadprzewodników oraz izolatorów topologicznych.

Plazmony powierzchniowe mogą silnie oddziaływać ze światłem o ściśle określonych długościach fali tworząc polarytony plazmonów powierzchniowych (SPPs) (ang. surface plasma polaritons), czyli wzbudzenia światła przemieszczające się wzdłuż powierzchni danego materiału. SPPs posiadają często krótsze długości fali w porównaniu ze światłem odpowiedzialnym za ich wykreowanie oraz mają tendencję do „ograniczania” światła w bardzo małym obszarze. Ten tzw. efekt koncentracji światła jest szczególnie przydatny w miniaturyzacji urządzeń optycznych i może zostać w przyszłości użyty do wytwarzania układów optyki transformacyjnej, takich jak supersoczewki, czy niewidzialne płaszcze.

Efekty plazmonowe w grafenie

Oczekuje się, że w grafenie, czyli jednowymiarowej warstwie atomów węgla, efekty plazmonowe mogą nieco różnić się od tych, jakie występują w metalach. Różnica ta związana jest z ruchliwością elektronów przewodnictwa, które w grafenie zachowują się jak fermiony Diraca tzn. poruszają się z prędkością bliską prędkości światła w próżni. To właśnie dlatego, jak się przypuszcza, plazmony występujące w grafenie, magazynują energię elektromagnetyczną w znacznie mniejszych obszarach, niż tradycyjne materiały, co jest niezwykle przydatne dla badaczy zajmujących się rozwijaniem urządzeń bazujących na plazmonach. Wadą tak wysokiej ruchliwości elektronów w grafenie jest brak możliwości tworzenia i badania plazmonów w oparciu o tradycyjne techniki badawcze wykorzystujące do tego celu promieniowanie podczerwone.

Prace przeprowadzone przez dwa niezależne zespoły fizyków pozwoliły opracować zupełnie nowatorską technikę badania plazmonów w grafenie, wykorzystującą niezwykle cienką końcówkę mikroskopu sił atomowych (AFM) (ang. atomic force microscope). Końcówka ta spełniała rolę nanoanteny i służyła skupianiu promieniowania podczerwonego na powierzchni grafenu. Pierwszy zespół badawczy składał się z Zhe Fei, Dmitri Basova oraz współpracowników z USA, Singapuru i Niemiec. Drugi zespół kierowany przez Franka Koppensa z ICFO w Barcelonie zrzeszał naukowców z CSIC w Madrycie oraz laboratorium badawczego nanoGUNE w San Sebastian.

Plazmony niczym fale na wodzie

Poprzez skanowanie powierzchni grafenu z użyciem mikroskopowej końcówki naukowcy mogli dokonywać pomiarów dla wielu miejsc na próbce i w ten sposób wykrywać plazmony w badanym materiale. W każdym badanym miejscu na próbce plazmony wytworzone na końcówce mikroskopu rozchodziły się promieniowo wzdłuż próbki grafenu, podobnie jak fale na wodzie, dopóki nie uległy odbiciu na jej krawędziach. Zjawisko to powodowało tworzenie obrazu interferencyjnego fal stojących.

Obydwie grupy badawcze odkryły, że długość fali plazmonów w grafenie jest znacznie krótsza od długości fal plazmonów w metalach. Pozwoliło to potwierdzić tezę, że plazmony w grafenie magazynują energię elektromagnetyczną w znacznie mniejszym obszarze, niż plazmony występujące w metalach. Poprzez zmianę napięcia przykładanego do bramki, naukowcom udało się również sterować długością fali oraz amplitudą plazmonów, co może być bardzo pomocne w rozwijaniu urządzeń tranzystorowych, w których światło będzie mogło być sterowane elektrycznie.

„Napięcie przykładane do bramki pozwalało zmieniać gęstość elektronów przewodnictwa w grafenie,” wyjaśnił Basov. „Większa ilość swobodnych elektronów w grafenie, powoduje, że ta „elektronowa ciecz” staje się bardziej „sztywna’, długość fali plazmonowych oscylacji ulega zmniejszeniu, natomiast amplituda drgań plazmonów – wzrostowi”. Jedną z istotnych konsekwencji tej techniki jest to, że za pomocą napięcia przykładanego do bramki możliwe staje się przełączanie układu pomiędzy dwoma stanami, w których plazmony są obecne, bądź nie. W rezultacie, Koppens uważa, że badania te mogą doprowadzić do powstania ultraszybkich przełączników optycznych. Inne zastosowania, według niego, mają obejmować dużo lepsze czujniki światła oraz zupełnie nowe układy przetwarzania kwantowej informacji.

Plazmonowa interferometria

Basov pragnie rozwijać tę technikę, nazwaną przez nich „plazmonową interferometrią”, aby móc badać szeroką gamę materiałów. „Technika ta będzie na pewno przydatna w badaniach fizyki powierzchni wielu różnych materiałów w tym m.in. izolatorów topologicznych, czyli materiałów przewodzących powierzchniowo prąd elektryczny”, powiedział.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com