Новая единичная полость графен-куб действует как новый тип наноантенны

Новая единичная полость графен-куб действует как новый тип наноантенны

Миниатюризация сделала так много непостижимых мечтаний. Сокращение электронных схем позволило нам получить доступ к таким технологиям, как смартфоны, часы здоровья, медицинские зонды, наноспутники, которые невозможно представить пару десятилетий назад.

Представьте себе, что за 60 лет транзистор превратился из ладони в размер до 14 нанометров, что в 1000 раз меньше диаметра волоса.

Миниатюризация подтолкнула технологии к новой эре оптических схем. Но параллельно он также вызвал новые проблемы и препятствия, которые необходимо преодолеть, например, в отношении того, как справляться с управлением и направлением света в нанометровом масштабе.

Новые технологии находились на подъеме в поисках способов ограничить свет в чрезвычайно крошечные пространства, миллионы раз меньше, чем современные. Ранее исследователи обнаружили, что металлы могут сжимать свет ниже масштаба длины волны (дифракционный предел).

В этом аспекте графен – материал, состоящий из одного слоя атомов углерода, с исключительными оптическими и электрическими свойствами, способен направлять свет в форме "плазмонов", которые представляют собой колебания электронов, которые сильно взаимодействуют с светлый. Эти графеновые плазмоны обладают естественной способностью ограничивать свет в очень небольших пространствах.

Однако до сих пор было возможно ограничить эти плазмоны только в одном направлении, в то время как фактическая способность света взаимодействовать с небольшими частицами, такими как атомы и молекулы, находится в объеме, в который он может быть сжат. Этот тип заключения во всех трех измерениях обычно рассматривается как оптический резонатор.

В недавнем исследовании, опубликованном в Science исследователи ICFO Итай Эпштейн, Дэвид Алькарас, Варум-Варма Пусапати, Авинаш Кумар, Тимофей Ходков под руководством профессора ICREA в ICFO Фрэнка Коппенса в сотрудничестве с исследователями из Массачусетского технологического университета, Университета Дьюка, Университета Париж-Сакле и Университад-ду-Минью удалось построить новый тип резонатора для графеновых плазмонов, интегрировав металлические кубы нанометровых размеров на листе графена.

Их подход позволил реализовать наименьшую оптическую полость, когда-либо построенную для инфракрасного света, которая основана на этих плазмонах.

В своем эксперименте они использовали серебряные нанокубики размером 50 нанометров, которые были разбросаны случайным образом поверх листа графена, без какого-либо конкретного рисунка или ориентации. Это позволило каждому нанокубу вместе с графеном действовать как одна полость. Затем они отправили инфракрасный свет через устройство и наблюдали, как плазмоны распространяются в пространство между металлическим нанокубом и графеном, сжимаясь только до этого очень малого объема.

Как отмечает первый автор исследования Итай Эпштейн, «главное препятствие, с которым мы столкнулись в этом эксперименте, заключалось в том, что длина волны света в инфракрасном диапазоне очень велика, а кубы очень малы. примерно в 200 раз меньше, поэтому чрезвычайно трудно заставить их взаимодействовать друг с другом. "

Чтобы преодолеть это, они использовали особый феномен – когда графеновые плазмоны взаимодействовали с нанокубами, они могли генерировать специальный резонанс, называемый магнитным резонансом. Как поясняет Эпштейн, « уникальным свойством магнитного резонанса является то, что он может действовать как тип антенны, которая устраняет разницу между малыми размерами нанокуба и крупными масштабами света».

Таким образом, генерируемый резонанс поддерживал движение плазмонов между кубом и графеном в очень маленьком объеме, который в десять миллиардов раз меньше объема обычного инфракрасного света, чего раньше никогда не было в оптическом ограничении. Более того, они смогли увидеть, что одна полость графен-куб при взаимодействии со светом действовала как новый тип наноантенны, которая способна очень эффективно рассеивать инфракрасный свет.

Результаты исследования являются чрезвычайно многообещающими для области молекулярного и биологического зондирования, важного для медицины, биотехнологии, контроля продуктов питания или даже безопасности, поскольку этот подход способен значительно усилить оптическое поле и, таким образом, обнаружить молекулярные материалы, которые обычно реагируют на инфракрасное излучение.

Как заявляет проф. Коппенс «такое достижение имеет большое значение, потому что оно позволяет нам настраивать объем плазмонной моды, чтобы стимулировать их взаимодействие с мелкими частицами, такими как молекулы или атомы, и иметь возможность обнаруживать и изучать им. Мы знаем, что инфракрасный и терагерцовый диапазоны оптического спектра предоставляют ценную информацию о колебательных резонансах молекул, открывая возможность взаимодействовать и обнаруживать молекулярные материалы, а также использовать это в качестве многообещающей технологии обнаружения ».

Ссылка

Возбуждение в дальнем поле одиночных графеновых плазмонных полостей с ультра-сжатыми объемами мод, Итай Эпштейн, Давид Алькарас, Жицин Хуан, Варун-Варма Пусапати, Жан-Поль Гюгонин, Авинаш Кумар, Заместитель Ксандера М., Тимофей Ходков, Татьяна Дж. Раппопорт, Джин-Йонг Хонг, Нуно М.Р. Перес, Цзин Конг, Дэвид Р. Смит и Фрэнк Х. Л. Коппенс, Science (2020). https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abb1570

Источник: https://www.icfo.eu/

Source link