Les plasmons de surface dans le graphène ont été largement étudiés au cours de la dernière décennie en raison de leurs propriétés très attrayantes, tels que la forte accordabilité de ses propriétés optiques grâce à la gating électrique et la durée de vie relativement élevée du plasmon. Cependant, ces propriétés exceptionnelles sont limitées à des fréquences plus basses allant des régions spectrales du moyen infrarouge (mid-IR) au térahertz (THz). En outre, l'accordabilité électrique du graphène ne peut pas être obtenue de manière ultrarapide, ce qui fait obstacle à son application dans des dispositifs technologiques à haut débit qui prennent de plus en plus d'importance.

Dans un nouvel article publié dans Science de la lumière et application , une équipe de l'ICFO-Institut de Sciences Fotoniques (Barcelone, Espagne) a proposé une technique tout optique pour moduler la réponse plasmonique de systèmes à base de graphène et/ou de métaux minces de manière ultrarapide, dans un spectre allant du moyen infrarouge au visible (vis-NIR). Ils proposent une configuration pompe-sonde où un faisceau de pompe ultrarapide et très intense est utilisé pour chauffer les électrons du graphène. Sur la base de la faible capacité thermique de ce matériau 2-D - ce qui signifie qu'une petite quantité d'énergie absorbée par ce matériau peut induire une forte augmentation de la température de ses électrons - et sur la forte dépendance de la conductivité du graphène avec sa température électronique, les propriétés optiques du système seront modulées par l'augmentation électronique de la température, et ceci peut être mesuré par le faisceau de sonde.

De façon intéressante, cette technique peut être utilisée pour exciter optiquement les plasmons non seulement dans la feuille de graphène, mais aussi dans une fine couche métallique placée à proximité. Suite à un précédent travail du même groupe, ils proposent de le faire en concevant un faisceau de pompage tel que son intensité de front d'onde varie spatialement de manière périodique. En tant que tel, la température électronique dans le graphène (et par la suite sa conductivité) varie également localement à la surface de la feuille, agissant comme un réseau efficace qui diffuse le faisceau sonde et le couple en plasmons. En fonction de la longueur d'onde du faisceau sonde et de la présence d'un film mince métallique à proximité de la feuille de graphène, cette technique peut être utilisée pour exciter soit des plasmons de graphène (mid-IR), des plasmons métalliques (vis-NIR) ou des plasmons acoustiques hybrides (THz). "De cette façon, on peut exciter et manipuler des plasmons dans une large gamme spectrale sans avoir besoin de motifs latéraux ou d'utiliser des dispositifs externes, comme les astuces SNOM, coupler la lumière se propageant dans des plasmons, ", ont ajouté les auteurs.

Sur une différente note, les auteurs proposent d'utiliser des effets photothermiques à l'échelle nanométrique afin d'obtenir une modulation ultrarapide de la lumière. Ils envisagent une structure composée d'un mince réseau métallique au-dessus d'une feuille de graphène dopée à un certain niveau de Fermi. Puis, en augmentant la température des électrons du graphène via un faisceau pompe, le potentiel chimique du graphène va diminuer, et les transitions interbandes dans le graphène deviendront significatives à des énergies plus basses, et étouffera le pic plasmonique mesuré par la réflexion d'un faisceau sonde. "La température des électrons du graphène peut atteindre plusieurs milliers de Kelvins, entraînant un amortissement du pic de réflexion jusqu'à 70%, " affirment les auteurs. Un effet similaire peut être observé dans les plasmons acoustiques de graphène, mais dans ce cas la raison de la trempe est l'augmentation des pertes inélastiques du graphène avec la température électronique. "Dans les deux cas, la modulation de la réponse optique est ultrarapide, contrairement aux autres moyens de moduler la réponse, comme changer électriquement le niveau de Fermi de graphène, ", ont ajouté les auteurs.

"Notre étude ouvre une voie prometteuse vers la manipulation photothermique active de la réponse optique dans des matériaux atomiquement minces avec des applications potentielles dans la modulation de la lumière ultrarapide, " concluent les auteurs.