Nuevo récord en la distancia propagada por un plasmón en grafeno

Dibujo20180524 low-temperature plasmons in graphene nature d41586-018-05190-1_15774292

Los plasmones en grafeno son cuasipartículas (ondas) de electrones acopladas a ondas electromagnéticas, capaces de confinar luz infrarroja en la nanoescala. Estas ondas son muy disipativas a temperatura ambiente y se propagan una distancia muy corta. Se publica en Nature un nuevo récord de distancia propagada, 10 micrómetros, o sea unas 50 veces la longitud de onda del plasmón. Para lograrlo se ha enfríado el grafeno usando nitrógeno líquido; el récord se ha logrado a 60 kelvin. Un hito en la plasmónica con grafeno que promete nuevas aplicaciones tecnológicas en la escala de los terahercios (infrarrojo lejano).

El grafeno es el material ideal para la nanooptoelectrónica en la escala de los terahercios. El plasmón es una cuasipartícula de electrones en el grafeno y el polaritón es una cuasipartícula de fotones que existe gracias a su acoplamiento con el plasmón. El problema de los plasmones en grafeno (en rigor, plasmones polaritones) es que muestran enormes pérdidas y se propagan distancias muy cortas (en relación a la longitud de onda del polaritón, pues son enormes para la distancia entre los átomos del grafeno). El nuevo récord indica que a baja temperatura se pueden lograr vidas medias tan largas que permiten realizar múltiples operaciones sobre el plasmón antes de que se disipe; gracias a ello, en un futuro no muy lejano, verán la luz gran número de nuevos dispositivos tecnológicos gracias a la plasmónica criogénica en grafeno.

El artículo es G. X. Ni, A. S. McLeod, …, D. N. Basov, “Fundamental limits to graphene plasmonics,” Nature 557: 530–533 (2018), doi: 10.1038/s41586-018-0136-9. Más información en Justin C. W. Song, “Plasmon propagation pushed to the limit,” Nature 557: 501-502 (2018), doi: 10.1038/d41586-018-05190-1.

Dibujo20180524 Nanoscale infrared imaging surface plasmons cryogenic temperature nature 41586_2018_136_Fig1

En el nuevo trabajo se ha usado una heteroestructura hBN/grafeno/hBN sobre un sustrato de SiO2/Si, decorada en su superficie con nanopuntos de oro (la capa superior de hBN tiene un espesor de 7 nanómetros y la inferior de 14 nm). Las microestructuras de oro (Au) sobre la capa superior de hBN (nitruro de boro hexagonal) son las fuentes (efectivas) de los plasmones que se propagan en la heteroestructura cuando sobre ella incide la luz de un láser infrarrojo con λ = 11.28 μm (una energía de 110 meV). La heteroestructura está conectada a una diferencia de potencial de 97 V y enfriada a temperaturas ente 50 y 300 K (los resultados más interesantes se han obtenido a 60 K).

Dibujo20180524 Temperature- and gate-dependent trends in surface plasmon propagation in graphene nature 41586_2018_136

En los experimentos es usa la punta metálica de un microscopio de efecto túnel para lanzar los plasmones en la heteroestructura de grafeno. También se usa dicha punta para explorar los patrones de interferencia de los plasmones a partir de los cuales se reconstruye su perfil como ondas. Estos plasmones tienen una larga vida, unos 1.6 picosegundos (billonésimas de segundo), lo que permite que recorran una gran distancia, unos micrómetros. El llamado factor de calidad (Q-factor) para estas ondas alcanza un valor de 130, todo un récord en las tecnologías de plasmones confinados en la nanoescala.

Dibujo20180524 trends in surface plasmon propagation in graphene nature 41586_2018_136

Según los autores del nuevo artículo en Nature, la reducción de la disipación de los plasmones en grafeno conforme se enfría la heteroestructura, no parece tener límite; por ello, sugieren que a temperaturas más bajas se lograrán nuevos récords de distancia propagada (y de factor de calidad). Aun si se encuentra un límite último, a temperaturas del nitrógeno líquido ya se logra una propagación suficiente como para diseñar nuevos dispositivos nanooptoelectrónicos basados en la interacción mutua entre plasmones.

Dibujo20180524 Plasmonic oscillations in the vicinity of the Au launching pads nature 41586_2018_136

La plasmónica en grafeno es un área de investigación que estaba de capa caída (tras ser un tópico muy candente (hot topic) hace solo un lustro). En mi opinión este nuevo trabajo es un nuevo punto de partida para una segunda explosión de resultados en plasmónica en grafeno. En especial, la interacción entre plasmones y fonones a temperaturas criogénicas promete desvelar nuevos tipos de cuasipartículas de potencial interés aplicado. Habrá que seguir el progreso de esta área.


Deja un comentario

Tu email nunca será mostrado o compartido. No olvides rellenar los campos obligatorios.

Obligatorio
Obligatorio
Obligatorio

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>