Исследователи из Лаборатории IBM первыми изучили, как плазмоны теряют свою энергию в графене. В будущем эта работа поможет в развитии оптоэлектронных устройств на основе углерода, к примеру, плазмонных волноводов, модуляторов и детекторов, которые работают в технологически важном диапазоне частот от суб-терагерцовой до инфракрасной областей электромагнитного спектра.

Графен, представляющий собой двумерный слой атомов углерода, образующих гексагональную кристаллическую решетку, поглощает свет, ограничивая его с помощью, так называемых, плазмонов (возникающих в нанолентах, квантовых точках, нанодисках и других наноструктурах) в областях, размеры которых в сотни раз меньше длины волны этого света.

Плазмоны – это квазичастицы, используемые для описания квантовых коллективных колебаний электронов, которые сильно взаимодействуют со световыми волнами. Как показали предыдущие исследования, усиление взаимодействия при определенной длине волны света (плазмонный резонанс), характерный для данного явления, может быть использован в широком спектре технологий, к примеру, для обнаружения и модуляции световых волн, оптической связи, в солнечной энергетике и спектроскопии.

Рис. 1. Зависимость скорости затухания плазмонов
в графене от их момента, а также подложки, на
которую нанесен углеродный материал.

Графен может быть весьма перспективным плазмонным материалом за счет своих необычных электронных свойств. Электроны проводимости в графене движутся крайне быстро, практически не испытывая сопротивления со стороны ионов, расположенных в узлах кристаллической решетки. Иными словами, они ведут себя как релятивистские частицы, не имеющие массы покоя.

Учитывая, что графен особенно хорошо поглощает свет в терагерцовой и инфракрасной частях электромагнитного спектра, его адаптация к плазмонике может привести к новым приложениям в фотонике и квантовой оптике.

На сегодняшний день известно, что в графене плазмоны, по-видимому, очень медленно распадаются или теряют свою энергию, что очень важно для подобных приложений.

До сих пор, однако, никто не изучал, как это в действительности происходит. Чтобы приоткрыть завесу тайны над этим процессом, группа ученых из TJ Watson Research Center (США) изучила наноленты графена, а также массивы квантовых точек и нанодисков, выращенные на различных поверхностях (в частности, на поверхности SiO₂ или алмазоподобных углеродов), размещенных на подложке из высокорезистивного кремния.

В рамках экспериментов с помощью ИК-Фурье спектрометра ученые измерили спектр пропускания созданных графеновых структур (их ширина не превышала 50 нм, а произведенные плазмоны относились к среднему ИК-диапазону с длиной волны 4 – 15 мкм).

Примененная методика позволила исследователям точно измерить механизм и скорость затухания плазмонов, а также то, как быстро плазмоны распадаются в углеродном материале.

Как отметили исследователи, они наблюдали новый механизм затухания, в рамках которого энергия плазмонов пересекает уровень внутренних углерод-углеродных (фононных) колебаний в графене (приблизительно на уровне 200 МэВ). Кроме того, по утверждениям ученых, рассеяние плазмонов на краях наноструктур – это еще один важный канал затухания, скорость которого им удалось измерить (в зависимости от энергии фононов).

Самым важным открытием исследователи считают тот факт, что плазмоны в графене сильно взаимодействуют с колебаниями атомов диоксида кремния (поверхности, на которую наносится графен), что приводит к различию процессов рассеяния и распада плазмонов при рассмотрении графена на разных подложках.

Полученные результаты будут иметь важное значение для создания новых оптоэлектронных устройств на основе графена, в частности, волноводов, модуляторов и детекторов, которые работают в части электромагнитного спектра от суб-терагерцового до середины инфракрасного диапазонов.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nature Photonics.