Исследователи сжимают свет с помощью нано-устройства и нано-схем

24 мая 2018



Исследователи из Школы инженерных и прикладных наук Колумбийского университета стали первыми, кто смог непосредственно увидеть распространение и динамику графеновых плазмонов при очень низких температурах; их выводы могут повлиять на оптическую связь и обработку сигналов.

Лучшее изображение поверхностного плазмонного поляритона в момент «пульсации» электронной плотности на поверхности образца графена.

Исследователи произвели крупный прорыв в области нанофотоники. Они изобрели новый криогенный оптический микроскоп ближнего поля. Этот «самодельный» прибор позволил им первыми в мире непосредственно отразить распространение и динамику графеновых плазмонов при переменных температурах до −250 градусов Цельсия. Если исследователи смогут использовать этот наносвет, они смогут улучшить чувствительность, субволновый световой эффект и оптическую передачу сигналов. Исследование было опубликовано 23 мая 2018 года в издании Nature.

Электронные устройства и схемы сжимаются в наномасштабе, и передача данных на чип при малой мощности и с небольшими потерями энергии становится все более сложной задачей. И основной целью исследователей нанофотоники в последнее десятилетие стало сжатие света на крошечных устройствах и схемах. Электронные колебания на поверхности металлов, называемые поверхностными плазмонными поляритонами, или, для краткости, плазмонами, находятся в эпицентре исследований ученых. Плазмоны — это гибриды фотонов света и электронов металла.

«Наше исследование зависимости от температуры, дает нам прямое физическое представление о фундаментальной физике распространения плазмона в графене», — говорит профессор физики Колумбийского университета Димитрий Басов, который возглавлял исследование совместно с коллегами Кори Дин (физика) и Джеймсом Хоном (машиностроение). «Это понимание было невозможно достигнуть в предыдущих исследованиях, проведенных при комнатной температуре. Мы были особенно удивлены этим открытием после стольких неудачных попыток приблизиться к тому, что сжатый наносвет может перемещаться по поверхности графена на расстояние многих десятков микрон без нежелательного рассеивания. Физические основы ограничения диапазона перемещений наносвета — фундаментальная находка нашего исследования, которая может привести к прорыву в области создания датчиков, в обработке изображений и сигналов ». Басов, Дин и Хон свели воедино многолетний опыт работы с графеном, материалом, который имеет всего один атом и который является одним из самых перспективных кандидатов для создания новых фотонных материалов. Оптические свойства Графена легко настраиваются и могут быть изменены в сверхбыстрых временных шкалах. Однако реализовать наносвет без нежелательного рассеивания в графене было очень трудно.

Исследователи из Колумбии разработали практический подход к разграничению света на наноуровне. Они знали, что можно образовывать плазмон-поляритоны, или резонансные режимы в графене, которые распространяются через материал как гибридные возбуждения, или свет и подвижные электроны. Эти плазмон-поляритонные периоды могут разграничивать энергию электромагнитного излучения или света вплоть до наномасштаба. Задача заключалась в том, как визуализировать эти волны с ультравысоким пространственным разрешением, чтобы они могли исследовать характеристики плазменных периодов при различных температурах, нужно было специальное контрольно-измерительное оборудование.

Александр С. МакЛеод, аспирант-исследователь в Лаборатории нанооптики Басова, построил уникальный микроскоп, который позволил команде исследовать плазмон-поляритонные волны с высоким разрешением, используя охлаждение графена до криогенных температур. Снижение температуры позволило им «отключить» различные механизмы рассеяния. Когда они охладили свои образцы один за другим, им удалось узнать, какие именно механизмы имеют значение. «Теперь, когда наши новые возможности наноизлучения расширились до низких температур, мы можем непосредственно увидеть беспрепятственное распространение волн совместных возбуждений света и зарядов внутри графена», — говорит МакЛеод, ведущий автор исследования и постдоктор лаборатории Басова. «Часто в физике, как и в жизни, верить по-настоящему, значит видеть! Рекордный диапазон путешествий этих волн показывает, что им суждено взять на себя передачу информации внутри оптических устройств следующего поколения».

Данная работа впервые продемонстрировала фундаментальные ограничения для распространения плазмонных поляритонных волн в графене. Команда обнаружила, что графеновые плазмоны распространяются баллистически через десятки микрометров по всему крошечному устройству. Эти плазмонные периоды ограничены объемом пространства в сотни, если в не тысячи, в раз меньшим, чем пространство, занятое свободно распространяющимся светом.

Плазмоны в графене настраиваться и управляться посредством внешнего электрического поля, что дает графену преимущество перед обычными плазмониками, такими как металлические поверхности, которые, по сути, не перестраиваются. Более того, теперь время жизни плазмонных волн в графене превышает их время жизни в металлах в 10-100 раз при распространении на сравнительно большие расстояния. Эти особенности дают огромные преимущества для графена, как для плазмонической среды в оптико-электронных схемах следующего поколения.

«Наши результаты показывают, что графен входит в число лучших материалов -кандидатов для инфракрасной плазмоники с применением в визуализации, зондировании и наномасштабной манипуляции светом. Кроме того, наши результаты открыли фундаментальные физические основы процессов, которые ограничивают распространение плазмонных волн в графене. Это монументальное понимание будет направлять будущие усилия в области наноструктурной инженерии, которые смогут разрушить оставшиеся препятствия на пути к использованию универсального наноконфигурированного света внутри будущих оптических устройств, — говорит Хон. Настоящее исследование представляет собой начало серии низкотемпературных исследований, направленных на манипулирование ограниченными плазмонами в наномасштабных оптоэлектронных графеновых устройствах. В настоящее время команда использует низкотемпературное наноизображение для изучения новых эффектов плазмоники, таких как электрическое индуцированное плазмонное отражение и модуляция, топологические хиральные плазмоны, а также сверхпроводящие плазмоники в недавно обнаруженной системе «magic angle» («магического угла») — скрученного двухслойного графена.