Les chercheurs ont développé une technique d'imagerie des photocourants THz avec une résolution nanométrique, et l'a appliqué pour visualiser des ondes THz fortement compressées (plasmons) dans un photodétecteur au graphène. Les longueurs d'onde extrêmement courtes et les champs très concentrés de ces plasmons ouvrent de nouvelles voies pour le développement de dispositifs THz optoélectroniques miniaturisés.

Le rayonnement dans la gamme de fréquences térahertz (THz) suscite un grand intérêt en raison de son potentiel d'application multiple pour l'imagerie non destructive, communication ou détection sans fil de nouvelle génération. Mais reste, la génération, la détection et le contrôle du rayonnement THz sont confrontés à de nombreux défis technologiques. Particulièrement, les longueurs d'onde relativement longues (de 30 à 300 mm) du rayonnement THz nécessitent des solutions pour l'intégration à l'échelle nanométrique de dispositifs THz ou pour des applications de détection et d'imagerie à l'échelle nanométrique.

Dans les années récentes, La plasmonique du graphène est devenue une plate-forme très prometteuse pour réduire les ondes THz. Il est basé sur l'interaction de la lumière avec des oscillations électroniques collectives dans le graphène, donnant lieu à des ondes électromagnétiques appelées plasmons. Les plasmons de graphène se propagent avec une longueur d'onde fortement réduite et peuvent concentrer les champs THz à des dimensions inférieures à la longueur d'onde, tandis que les plasmons eux-mêmes peuvent être contrôlés électriquement.

Maintenant, chercheurs du CIC nanoGUNE (Saint-Sébastien, Espagne) en collaboration avec ICFO (Barcelone, Espagne), IIT (Gênes, Italie) - membres du EU Graphene Flagship - Columbia University (New York, ETATS-UNIS), Université Radboud (Nimègue, Pays-Bas), NIM (Tsukuba, Japon) et Neaspec (Martinsried, Allemagne) a pu visualiser des plasmons THz fortement compressés et confinés dans un détecteur THz à température ambiante à base de graphène. Pour voir les plasmons, ils ont enregistré une carte à l'échelle nanométrique du photocourant que le détecteur a produit tandis qu'une pointe métallique pointue était balayée à travers elle. La pointe avait pour fonction de focaliser l'éclairage THz sur une taille de spot d'environ 50 nm, qui est environ 2000 fois plus petite que la longueur d'onde d'éclairage. Cette nouvelle technique d'imagerie, nommé nanoscopie photocourante THz, offre des possibilités inédites de caractérisation des propriétés optoélectroniques aux fréquences THz.

L'équipe a enregistré des images photocourantes du détecteur de graphène, alors qu'il était illuminé par un rayonnement THz d'environ 100 mm de longueur d'onde. Les images ont montré des oscillations de photocourant révélant que des plasmons THz avec une longueur d'onde plus de 50 fois réduite se propageaient dans l'appareil tout en produisant un photocourant.

"Au début, nous avons été assez surpris par la longueur d'onde extrêmement courte du plasmon, comme les plasmons de graphène THz sont généralement beaucoup moins compressés", dit l'ancien chercheur de nanoGUNE Pablo Alonso, maintenant à l'Université d'Oviedo, et premier auteur de l'ouvrage. "Nous avons réussi à résoudre le puzzle par des études théoriques, qui a montré que les plasmons se couplent avec la grille métallique sous le graphène", il continue. « Ce couplage conduit à une compression supplémentaire des plasmons et à un confinement de champ extrême, qui pourrait ouvrir la porte vers diverses applications de détecteurs et de capteurs", ajoute Rainer Hillenbrand, Ikerbasque Research Professor et Nanooptics Group Leader à nanoGUNE qui a dirigé la recherche. Les plasmons présentent également une dispersion linéaire – c'est-à-dire que leur énergie est proportionnelle à leur quantité de mouvement – ​​ce qui pourrait être bénéfique pour les technologies de l'information et de la communication. L'équipe a également analysé la durée de vie des plasmons THz, qui a montré que l'amortissement des plasmons THz est déterminé par les impuretés dans le graphène.

La nanoscopie à photocourant THz repose sur le fort effet photothermoélectrique du graphène, qui transforme la chaleur générée par les champs THz, dont celui des plasmons THz, dans un courant. À l'avenir, le fort effet thermoélectrique pourrait également être appliqué pour la détection de plasmons THz sur puce dans les circuits plasmoniques de graphène. La technique de nano-imagerie à photocourant THz pourrait trouver un potentiel d'application supplémentaire au-delà de l'imagerie plasmonique, par exemple, pour étudier les propriétés optoélectroniques THz locales d'autres matériaux 2D, les gaz d'électrons 2D classiques ou les nanostructures semi-conductrices.