Observan plasmones de terahercios en un fotodetector de grafeno

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El grafeno es un material ideal en nanoóptica, el control de la luz en la nanoescala. La luz queda confinada y atrapada en forma de plasmones por debajo del límite de difracción al excitar los electrones libres en el grafeno. Ya se han observado plasmones en grafeno en el infrarrojo. Se publica la primera observación de plasmones de terahercios fuertemente confinados en una heteroestructura de hBN/grafeno/hBN usando la técnica s-SNOM (Scanning Near-field Optical Microscopy).

La microscopía óptica de barrido de campo cercano basada en la difusión de la punta (s-SNOM) consiste en usar una nanoantena como sonda para mejorar la resolución en microscopía óptica. La luz queda “atrapada” en la punta permitiendo detectar la luz presente en la proximidad de una estructura nanométrica. De esta manera, se pueden observar plasmones cconfinados en el grafeno con una longitud de onda de λp ≈ λ0/66, con λ0 = 118,8 μm (2,52 THz), es decir, 66 veces inferior a la de los fotones en ausencia de grafeno. Este alto confinamiento de la luz gracias al grafeno promete el futuro desarrollo de nuevos sensores biológicos ultrasensibles o dispositivos de tratamiento óptico de la información.

El artículo es Pablo Alonso-González, Alexey Y. Nikitin, …, Rainer Hillenbrand, «Acoustic terahertz graphene plasmons revealed by photocurrent nanoscopy,» Nature Nanotechnology (24 Oct 2016), doi: 10.1038/nnano.2016.185.

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La figura que abre esta entrada muestra el fotodetector de grafeno usado. Está formado por una heteroestructura de grafeno hBN(13 nm)/grafeno/hBN(42 nm) colocada sobre una pareja de puertas de AuPd de 15-nm de grosor, separadas por un hueco de 50 nm. Aplicando voltajes diferentes a ambas puertas aparece una concentración de portadores en el grafeno diferente a ambos lados del hueco, es decir, una unión p–n (las densidades de portadores son n1 = 0,11 × 1012 cm−2 y n2 = −1,11 × 1012 cm−2).

Los resultados experimentales están en buen acuerdo con las simulaciones por ordenador (para una heteroestructura aire/hBN/G/hBN/AuPd/SiO2). La velocidad  de grupo de los plasmones es vg ≈ 0,014 c, casi un orden de magnitud menor que para los plasmones en grafeno para una hoja suspendida en el aire a 2,52 THz.

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La relación de dispersión para los plasmones es casi lineal a frecuencias bajas (figura derecha), algo típico de los plasmones acústicos, pero que contrasta con los plasmones en grafeno bajo luz infrarroja. La longitud de onda de los plasmes en la heteroestructura de grafeno tienen λp ≈ 650 nm para 2,52 THz (cambiando un poco para otras frecuencias, como muestra la figura izquierda).

En resumen, la nanofotónica (o la nanoóptica) está experimentando un enorme desarrollo. Las heteroestructuras de grafeno son muy prometedoras para futuros avances tecnológicos. Los plasmones en grafeno son una de las alternativas más firmes para mejorar un amplio abanico de tecnologías.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 26 octubre, 2016
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Nanotecnología • Noticias • Óptica • Physics • Science
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