Chercheurs du CIC nanoGUNE, en collaboration avec ICFO et Graphenea, ont démontré comment la lumière infrarouge peut être captée par des nanostructures en graphène. Cela se produit lorsque la lumière se couple pour charger des oscillations dans le graphène. Le mélange résultant d'oscillations de lumière et de charge, appelé plasmon, peuvent être compressés dans des volumes record des millions de fois plus petits que dans les cavités optiques diélectriques conventionnelles. Ce processus a été visualisé par les chercheurs pour la première fois à l'aide d'un état de l'art, microscope en champ proche et expliqué par la théorie. Les chercheurs ont identifié deux types de plasmons - les modes bord et feuille - se propageant soit le long de la feuille, soit le long des bords de la feuille. Les plasmons de bord sont uniques pour leur capacité à canaliser l'énergie électromagnétique dans une dimension.

L'oeuvre, signalé dans Photonique de la nature , ouvre de nouvelles opportunités pour les photodétecteurs ultra-petits et efficaces, capteurs et autres nanodispositifs photoniques et optoélectroniques.

Les technologies à base de graphène permettent des nanodispositifs optiques extrêmement petits. La longueur d'onde de la lumière captée par une feuille de graphène, une feuille monocouche d'atomes de carbone, peut être raccourci d'un facteur 100 par rapport à la lumière se propageant dans l'espace libre. En conséquence, la lumière se propageant le long de la feuille de graphène, qui est appelé plasmon de graphène, nécessite beaucoup moins d'espace. Pour cette raison, les dispositifs photoniques peuvent être beaucoup plus petits. La concentration du champ plasmonique peut être encore améliorée en fabriquant des nanostructures de graphène agissant comme des nanorésonateurs pour les plasmons. Le champ amélioré a déjà trouvé une application dans la photodétection infrarouge et térahertz améliorée et la détection vibrationnelle infrarouge de molécules, entre autres.

"Le développement de dispositifs efficaces basés sur des nanorésonateurs de graphène plasmonique dépendra de manière critique de la compréhension et du contrôle précis des modes plasmoniques à l'intérieur de ceux-ci, " dit le Dr Pablo Alonso-Gonzalez, (maintenant à l'Université d'Oviedo) qui a réalisé l'imagerie dans l'espace réel des nanorésonateurs de graphène avec un microscope en champ proche.

« Nous avons été fortement impressionnés par la diversité des contrastes plasmoniques observés dans les images en champ proche, " dit le Dr Alexey Nikitin, Chercheur Ikerbasque à nanoGUNE, qui a développé la théorie pour identifier les modes plasmoniques individuels.

L'équipe de recherche a démêlé les modes plasmoniques individuels et les a séparés en deux classes différentes. La première classe de plasmons — les « plasmons en feuille » — peut exister « à l'intérieur » des nanostructures de graphène, s'étendant sur toute la surface du graphène. Inversement, la seconde classe de plasmons, les « plasmons de bord », peuvent exclusivement se propager le long des bords des nanostructures de graphène, conduisant à des modes de galerie chuchotants dans des nanorésonateurs en forme de disque ou à des résonances Fabry-Pérot dans des nanorectangles de graphène en raison de la réflexion à leurs coins. Les plasmons de bord sont bien mieux confinés que les plasmons de feuille et, le plus important, transférer l'énergie dans une seule dimension.

Les images en espace réel révèlent des modes de bord dipolaires avec un volume de mode 100 millions de fois plus petit qu'un cube de la longueur d'onde en espace libre. Les chercheurs ont également mesuré la dispersion (énergie en fonction de la quantité de mouvement) des plasmons de bord à partir de leurs images en champ proche, mettant en évidence la longueur d'onde raccourcie des plasmons de bord par rapport aux plasmons de feuille. Grâce à leurs propriétés uniques, Les plasmons de bord pourraient être une plate-forme prometteuse pour coupler des points quantiques ou des molécules uniques dans les futurs dispositifs optoélectroniques quantiques.

"Nos résultats fournissent également de nouvelles informations sur la physique de la microscopie en champ proche des plasmons de graphène, ce qui pourrait être très utile pour interpréter des images en champ proche d'autres interactions lumière-matière dans des matériaux bidimensionnels, ", explique Rainer Hillenbrand, professeur de recherche à Ikerbasque, qui a dirigé le projet.