Физики из МФТИ и Владимирского государственного университета смогли повысить эффективность передачи энергии света в колебания на поверхности графена почти до 90%. Для этого они использовали энергетическую схему преобразования, похожую на лазерную, и коллективные резонансные эффекты.

Работа опубликована в журнале Laser & Photonics Reviews.

Манипулирование светом в наномасштабе крайне важно для создания сверхкомпактных устройств преобразования и хранения энергии оптического излучения. Поверхностные плазмон-поляритоны — это свет, локализованный на границе раздела двух материалов с отличающимся показателем преломления. Преимущество работы с такими волнами — возможность локализовать свет на очень малых пространственных масштабах. В зависимости от сочетания материалов можно добиться различной степени локализации поверхностных волн. Самый сильный эффект наблюдается, когда свет локализуется на двумерном материале, обладающем толщиной в один атомарный слой.

Исследователи использовали в работе полупроводниковые эллипсоидные квантовые точки диаметром 40 нм. Квантовые точки служили рассеивателями, находящимися над поверхностью графена, на которую падало инфракрасное излучение на длине волны 1,55 мкм. Между квантовыми точками и графеном располагалась буферная прослойка из диэлектрика толщиной несколько нанометров.

«Мы рассмотрели схему, в которой квантовая точка, располагающаяся над поверхностью графена, одновременно взаимодействует и с падающим светом, и с бегущей поверхностной электромагнитной волной, но частоты, на которых происходит это взаимодействие, разные. Со светом она взаимодействует на длине волны 1,55 микрометра, а с электромагнитной волной, бегущей по поверхности, то есть с плазмоном-поляритоном, — на длине волны 3,5 микрометра. Этого можно достичь, если использовать гибридную схему взаимодействия», — рассказывает соавтор работы Алексей Прохоров.

Суть гибридной схемы взаимодействия заключается в том, что в ней используется не два энергетических уровня — верхний и нижний, а еще и промежуточный уровень. Схема напоминает энергетическую структуру лазера, только промежуточный энергетический уровень служит для того, чтобы обеспечить сильную связь квантовой точки с поверхностной электромагнитной волной.

Эффективность преобразования из света в предложенной схеме, по расчетам, достигает 90–95%. С учетом всех возможных негативных факторов эффективность все равно сохранится выше 50%, что в разы превышает ранее достигнутые показатели.