Les chercheurs du KAIST et leurs collaborateurs au pays et à l'étranger ont démontré avec succès une nouvelle méthodologie pour l'imagerie optique directe en champ proche des champs de plasmons de graphène acoustique. Cette stratégie fournira une percée pour les applications pratiques des plates-formes acoustiques de graphène plasmon dans la prochaine génération, haute performance, dispositifs optoélectroniques à base de graphène avec des interactions lumière-matière améliorées et une perte de propagation plus faible.

Il a été récemment démontré que les plasmons de graphène, oscillations collectives d'électrons libres dans le graphène couplées à des ondes électromagnétiques de lumière, peut être utilisé pour piéger et comprimer les ondes optiques à l'intérieur d'une très fine couche diélectrique séparant le graphène d'une feuille métallique. Dans une telle configuration, les électrons de conduction du graphène sont "réfléchis" dans le métal, alors quand les ondes lumineuses "poussent" les électrons dans le graphène, leurs charges d'image dans le métal se mettent également à osciller. Ce nouveau type de mode d'oscillation électronique collective est appelé « plasmon de graphène acoustique (AGP) ».

L'existence de l'AGP ne pouvait auparavant être observée que par des méthodes indirectes telles que la spectroscopie infrarouge en champ lointain et la cartographie par photocourant. Cette observation indirecte était le prix que les chercheurs ont dû payer pour la forte compression des ondes optiques à l'intérieur de structures nanométriques. On croyait que l'intensité des champs électromagnétiques à l'extérieur de l'appareil était insuffisante pour l'imagerie optique directe en champ proche de l'AGP.

Interpellé par ces limites, trois groupes de recherche ont combiné leurs efforts pour réunir une technique expérimentale unique utilisant des méthodes avancées de nanofabrication. Leurs conclusions ont été publiées dans Communication Nature le 19 février.

Une équipe de recherche KAIST dirigée par le professeur Min Seok Jang de l'École de génie électrique a utilisé un microscope optique à champ proche à balayage de type diffusion très sensible (s-SNOM) pour mesurer directement les champs optiques des ondes AGP se propageant dans un nanomètre d'épaisseur guide d'ondes, visualiser pour la première fois la compression mille fois de la lumière infrarouge moyenne.

Professeur Jang et chercheur post-doctorant dans son groupe, Sergueï G. Menabde, obtenu avec succès des images directes des ondes AGP en tirant parti de leur champ électrique en déclin rapide mais toujours présent au-dessus du graphène. Ils ont montré que les AGP sont détectables même lorsque la majeure partie de leur énergie circule à l'intérieur du diélectrique sous le graphène.

Cela est devenu possible grâce aux surfaces ultra-lisses à l'intérieur des nano-guides d'ondes où les ondes plasmoniques peuvent se propager à de plus longues distances. Le mode AGP sondé par les chercheurs était jusqu'à 2,3 fois plus confiné et présentait une valeur de mérite 1,4 fois plus élevée en termes de longueur de propagation normalisée par rapport au plasmon de surface de graphène dans des conditions similaires.

Ces nanostructures ultra-lisses des guides d'ondes utilisés dans l'expérience ont été créées à l'aide d'une méthode de suppression de gabarit par le professeur Sang-Hyun Oh et un chercheur post-doctoral, In-Ho Lee, du Département de génie électrique et informatique de l'Université du Minnesota.

Le professeur Young Hee Lee et ses chercheurs du Center for Integrated Nanostructure Physics (CINAP) de l'Institute of Basic Science (IBS) de l'Université Sungkyunkwan ont synthétisé le graphène avec une structure monocristalline, et cette haute qualité, le graphène à grande surface a permis une propagation plasmonique à faible perte.

Les propriétés chimiques et physiques de nombreuses molécules organiques importantes peuvent être détectées et évaluées par leurs signatures d'absorption dans le spectre moyen infrarouge. Cependant, les méthodes de détection conventionnelles nécessitent un grand nombre de molécules pour une détection réussie, considérant que les champs AGP ultra-compressés peuvent fournir de fortes interactions lumière-matière au niveau microscopique, améliorant ainsi considérablement la sensibilité de détection jusqu'à une seule molécule.

Par ailleurs, l'étude menée par le professeur Jang et l'équipe a démontré que les AGP dans l'infrarouge moyen sont intrinsèquement moins sensibles aux pertes de graphène en raison de leurs champs principalement confinés dans le diélectrique. Les résultats rapportés par l'équipe de recherche suggèrent que les AGP pourraient devenir une plate-forme prometteuse pour les dispositifs optoélectroniques à base de graphène accordables électriquement qui souffrent généralement de taux d'absorption plus élevés dans le graphène tels que les métasurfaces, commutateurs optiques, photovoltaïque, et d'autres applications optoélectroniques fonctionnant à des fréquences infrarouges.

Le professeur Jang a dit, "Nos recherches ont révélé que les champs électromagnétiques ultra-compressés des plasmons de graphène acoustique sont directement accessibles via des méthodes de microscopie optique en champ proche. J'espère que cette réalisation motivera d'autres chercheurs à appliquer les AGP à divers problèmes où de fortes interactions lumière-matière et une propagation plus faible des pertes sont nécessaires."