À mesure que les appareils et circuits électroniques se réduisent à l'échelle nanométrique, la possibilité de transférer des données sur une puce, à faible puissance avec peu de perte d'énergie, devient un défi critique. Durant la dernière décennie, comprimer la lumière dans de minuscules dispositifs et circuits a été un objectif majeur des chercheurs en nanophotonique. Oscillations électroniques à la surface des métaux, connu sous le nom de polaritons de plasmons de surface ou plasmons pour faire court, sont devenus un domaine d'intérêt intense. Les plasmons sont des hybrides de lumière (photons) et d'électrons dans un métal. Si les chercheurs peuvent exploiter cette nanolumière, ils pourront améliorer la détection, guidage d'onde sous-longueur d'onde, et la transmission optique des signaux.

Les chercheurs de Columbia ont fait une percée majeure dans cette recherche, avec leur invention d'un nouveau microscope optique cryogénique à champ proche "fait maison" qui leur a permis d'imager directement, pour la première fois, la propagation et la dynamique des plasmons de graphène à des températures variables jusqu'à moins 250 degrés Celsius. L'étude a été publiée en ligne aujourd'hui dans La nature .

"Notre étude dépendante de la température nous donne maintenant un aperçu physique direct de la physique fondamentale de la propagation des plasmons dans le graphène, " dit Dimitri N. Basov, professeur de physique à l'université de Columbia, qui a dirigé l'étude avec ses collègues Cory Dean (physique) et James Hone (génie mécanique, Columbia Ingénierie). "Cette idée était impossible à atteindre dans les études précédentes de nano-imagerie effectuées à température ambiante. Nous avons été particulièrement surpris de découvrir, après de nombreuses années de tentatives infructueuses pour se rapprocher, que la nano-lumière compacte peut parcourir la surface du graphène sur des distances de plusieurs dizaines de microns sans diffusion indésirable. La physique limitant la plage de déplacement de la nanolumière est une découverte fondamentale de notre étude et peut conduire à de nouvelles applications dans les capteurs, imagerie, et le traitement du signal."

Basov, Doyen, et Hone réunissent des années d'expérience dans le travail avec le graphène, le matériau d'un atome d'épaisseur qui est l'un des candidats les plus prometteurs pour de nouveaux matériaux photoniques. Les propriétés optiques du graphène sont facilement ajustables et peuvent être modifiées à des échelles de temps ultrarapides. Cependant, la mise en œuvre de nanolight sans introduire de dissipation indésirable dans le graphène a été très difficile à réaliser.

Les chercheurs de Columbia ont développé une approche pratique pour confiner la lumière à l'échelle nanométrique. Ils savaient qu'ils pouvaient former des plasmons-polaritons, ou modes de résonance, dans le graphène qui se propagent à travers le matériau sous forme d'excitations hybrides de lumière et d'électrons mobiles. Ces modes plasmon-polariton peuvent confiner l'énergie du rayonnement électromagnétique, ou léger, jusqu'à l'échelle nanométrique. Le défi était de visualiser ces ondes avec une ultra-haute résolution spatiale, afin qu'ils puissent étudier les performances des modes plasmoniques à différentes températures.

Alexander S. McLeod, chercheur postdoctoral au Laboratoire de nano-optique Basov, construit un microscope unique qui a permis à l'équipe d'explorer les ondes plasmon-polariton à haute résolution tout en refroidissant le graphène à des températures cryogéniques. L'abaissement des températures leur a permis de "désactiver" diverses diffusions, ou dissipation, mécanismes, l'un après l'autre, pendant qu'ils refroidissaient leurs échantillons et apprenaient quels mécanismes étaient pertinents.

« Maintenant que nos nouvelles capacités de nano-imagerie sont déployées à basse température, nous pouvons voir directement la propagation des ondes non atténuées des excitations collectives de lumière et de charge au sein du graphène, " dit McLeod, co-auteur principal de l'étude avec Guangxin Ni, également chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Basov. "Souvent en physique, comme dans la vie, voir vraiment c'est croire ! La plage de déplacement record de ces vagues montre qu'elles sont destinées à vivre leur propre vie, canaliser les signaux et les informations dans les deux sens à l'intérieur des appareils optiques de nouvelle génération."

L'étude est la première à démontrer les limites fondamentales de la propagation des ondes de polaritons plasmoniques dans le graphène. L'équipe a découvert que les plasmons de graphène se propagent par voie balistique, sur des dizaines de micromètres, dans tout le petit appareil. Ces modes plasmoniques sont confinés dans un volume d'espace de centaines, sinon des milliers, fois plus petit que celui occupé par la lumière se propageant librement.

Les plasmons dans le graphène peuvent être réglés et contrôlés via un champ électrique externe, ce qui donne au graphène un gros avantage par rapport aux milieux plasmoniques conventionnels tels que les surfaces métalliques, qui sont intrinsèquement non accordables. De plus, les durées de vie des ondes plasmoniques dans le graphène dépassent maintenant celles des métaux d'un facteur 10 à 100, tout en se propageant sur des distances relativement plus longues. Ces caractéristiques offrent d'énormes avantages pour le graphène en tant que milieu plasmonique dans les circuits optoélectroniques de nouvelle génération.

« Nos résultats établissent que le graphène se classe parmi les meilleurs matériaux candidats pour la plasmonique infrarouge, avec des applications en imagerie, sentir, et la manipulation de la lumière à l'échelle nanométrique, " dit Hone. " De plus, nos résultats révèlent la physique fondamentale des processus qui limitent la propagation des ondes plasmoniques dans le graphène. This monumental insight will guide future efforts in nanostructure engineering, which may be able to remove the remaining roadblocks for long-range travel of versatile nanoconfined light within future optical devices."

The current study is the beginning of a series of low-temperature investigations focused on controlling and manipulating confined plasmons in nanoscale optoelectronic graphene devices. The team is now using low-temperature nanoimaging to explore novel plasmonics effects such as electrically-induced plasmonic reflection and modulation, topological chiral plasmons, and also superconducting plasmonics in the very recently discovered "magic angle" system of twisted bilayer graphene.

The study is titled "Fundamental limits to graphene plasmonics."