A medida que los dispositivos y circuitos electrónicos se reducen a nanoescala, la capacidad de transferir datos en un chip, a baja potencia y con poca pérdida de energía, se está convirtiendo en un desafío crítico. Durante la última década, introducir luz en pequeños dispositivos y circuitos ha sido unaobjetivo principal de los investigadores en nanofotónica. Las oscilaciones electrónicas en la superficie de los metales, conocidas como polaritones de plasmones superficiales o plasmones para abreviar, se han convertido en un área de enfoque intensa. Los plasmones son híbridos de luz fotones y electrones en un metal. Si los investigadores pueden aprovechareste nanolight, podrán mejorar la detección, la guía de onda de sublongitud de onda y la transmisión óptica de señales.
Los investigadores de Columbia han logrado un gran avance en esta investigación, con la invención de un novedoso microscopio óptico criogénico de campo cercano "hecho en casa" que les ha permitido obtener imágenes directamente, por primera vez, de la propagación y dinámica de los plasmones de grafeno.a temperaturas variables de hasta 250 grados Celsius negativos. El estudio se publicó en línea hoy en Naturaleza .
"Nuestro estudio dependiente de la temperatura ahora nos brinda una visión física directa de la física fundamental de la propagación del plasmón en el grafeno", dice Dimitri N. Basov, profesor de física en la Universidad de Columbia, quien dirigió el estudio junto con sus colegas Cory Dean físicay James Hone ingeniería mecánica, Columbia Engineering. "Este conocimiento era imposible de obtener en estudios previos de nanoimagen realizados a temperatura ambiente. Nos sorprendió particularmente descubrir, después de muchos años de intentos fallidos de acercarse a cualquier lugar, que la nano luz compacta puede viajara lo largo de la superficie del grafeno para distancias de muchas decenas de micrones sin dispersión no deseada. La física que limita el rango de viaje de la nano luz es un hallazgo fundamental de nuestro estudio y puede conducir a nuevas aplicaciones en sensores, imágenes y procesamiento de señales ".
Basov, Dean y Hone reúnen años de experiencia en el trabajo con grafeno, el material de un átomo de espesor que es uno de los candidatos más prometedores para nuevos materiales fotónicos. Las propiedades ópticas del grafeno se pueden sintonizar fácilmente y se pueden alterar de forma ultrarrápida.escalas de tiempo. Sin embargo, la implementación de nanolight sin introducir una disipación no deseada en el grafeno ha sido muy difícil de lograr.
Los investigadores de Columbia desarrollaron un enfoque práctico para confinar la luz a la nanoescala. Sabían que podían formar plasmones-polaritones, o modos resonantes, en el grafeno que se propagaban a través del material como excitaciones híbridas de luz y electrones móviles. Estos plasmón-polaritónLos modos pueden limitar la energía de la radiación electromagnética, o la luz, a la nanoescala. El desafío era cómo visualizar estas ondas con una resolución espacial ultra alta, para que pudieran estudiar el rendimiento de los modos plasmónicos a diferentes temperaturas.
Alexander S. McLeod, un científico investigador postdoctoral en el Laboratorio de Nanoóptica de Basov, construyó un microscopio único que permitió al equipo explorar las ondas de plasmón-polaritón a alta resolución mientras enfriaban el grafeno a temperaturas criogénicas. Bajar las temperaturas permitióellos para "apagar" varios mecanismos de dispersión, o disipación, uno tras otro, mientras enfriaban sus muestras y aprendían qué mecanismos eran relevantes.
"Ahora que nuestras nuevas capacidades de nanoimagen se implementan a bajas temperaturas, podemos ver directamente la propagación de ondas no mitigadas de las excitaciones colectivas de luz y carga dentro del grafeno", dice McLeod, coautor principal del estudio con Guangxin Ni, tambiénun científico investigador postdoctoral en el laboratorio de Basov. "A menudo, en la física, como en la vida, ¡ver de verdad para creer! El rango de recorrido récord de estas ondas muestra que están destinadas a cobrar vida propia, canalizando señales e informaciónde ida y vuelta dentro de los dispositivos ópticos de próxima generación ".
El estudio es el primero en demostrar las limitaciones fundamentales para la propagación de las ondas de polaritón de plasmón en el grafeno. El equipo descubrió que los plasmones de grafeno se propagan balísticamente, a través de decenas de micrómetros, en todo el dispositivo diminuto. Estos modos de plasmón están confinados dentro de un volumen deespacio cientos, si no miles, de veces más pequeño que el que ocupa la luz que se propaga libremente.
Los plasmones en el grafeno se pueden ajustar y controlar a través de un campo eléctrico externo, lo que le da al grafeno una gran ventaja sobre los medios plasmónicos convencionales, como las superficies metálicas, que son intrínsecamente no sintonizables. Además, ahora se encuentra la duración de las ondas de plasmón en el grafeno.para superar los de los metales en un factor de 10 a 100, mientras se propaga a distancias comparativamente más largas. Estas características ofrecen enormes ventajas para el grafeno como medio plasmónico en los circuitos optoelectrónicos de próxima generación.
"Nuestros resultados establecen que el grafeno se encuentra entre los mejores materiales candidatos para plasmónicos infrarrojos, con aplicaciones en imágenes, detección y manipulación de luz a nanoescala", dice Hone. "Además, nuestros hallazgos revelan la física fundamental de los procesos que limitanpropagación de ondas de plasmón en grafeno. Esta visión monumental guiará los esfuerzos futuros en la ingeniería de nanoestructuras, que puede eliminar los obstáculos restantes para el viaje de largo alcance de la luz nanoconfinada versátil dentro de los dispositivos ópticos del futuro ".
El estudio actual es el comienzo de una serie de investigaciones de baja temperatura centradas en controlar y manipular plasmones confinados en dispositivos de grafeno optoelectrónicos a nanoescala. El equipo ahora está utilizando nanoimágenes de baja temperatura para explorar nuevos efectos plasmónicos, como la reflexión plasmónica inducida eléctricamentey modulación, plasmones quirales topológicos y también plasmónicos superconductores en el sistema de "ángulo mágico" descubierto recientemente de grafeno bicapa retorcido.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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