Als minder meer is: een enkele laag atomen stimuleert de niet-lineaire generatie van licht

In een nieuwe studie heeft een internationaal onderzoeksteam onder leiding van de Universiteit van Wenen aangetoond dat structuren die rond een enkele laag grafeen zijn gebouwd, sterke optische niet-lineariteiten mogelijk maken die licht kunnen omzetten. Het team bereikte dit door gouden linten van nanometerformaat te gebruiken om licht, in de vorm van plasmonen, in atoomdun grafeen te persen. De resultaten, die zijn gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie zijn veelbelovend voor een nieuwe familie van ultrakleine afstembare niet-lineaire apparaten.

In de afgelopen jaren is er een gezamenlijke inspanning geleverd om plasmonische apparaten te ontwikkelen om licht te manipuleren en door te laten via apparaten met nanometergrootte. Tegelijkertijd is aangetoond dat niet-lineaire interacties aanzienlijk kunnen worden verbeterd door plasmonen te gebruiken, die kunnen ontstaan ​​wanneer licht interageert met elektronen in een materiaal. In een plasmon wordt licht gebonden aan elektronen op het oppervlak van een geleidend materiaal, waardoor plasmonen veel kleiner kunnen zijn dan het licht dat ze oorspronkelijk heeft gecreëerd. Dit kan leiden tot extreem sterke niet-lineaire interacties. Plasmonen worden echter meestal gemaakt op het oppervlak van metalen, waardoor ze zeer snel vervallen, waardoor zowel de voortplantingslengte van het plasmon als niet-lineaire interacties worden beperkt. In dit nieuwe werk laten de onderzoekers zien dat de lange levensduur van plasmonen in grafeen en de sterke niet-lineariteit van dit materiaal deze uitdagingen kunnen overwinnen.

In hun experiment heeft het onderzoeksteam onder leiding van Philip Walther van de Universiteit van Wenen (Oostenrijk), in samenwerking met onderzoekers van het Barcelona Institute of Photonic Sciences (Spanje), de University of Southern Denmark, de University of Montpellier en het Massachusetts Institute of Technology (VS) gebruikte stapels tweedimensionale materialen, heterostructuren genaamd, om een ​​niet-lineair plasmonisch apparaat op te bouwen. Ze namen een enkele atomaire laag grafeen en deponeerden er een reeks metallische nanoribbons op. De metalen linten vergrootten het invallende licht in de grafeenlaag en zetten het om in grafeenplasmonen. Deze plasmonen werden vervolgens opgesloten onder de gouden nanoribbons en produceerden licht van verschillende kleuren via een proces dat bekend staat als harmonische generatie. De wetenschappers bestudeerden het gegenereerde licht en toonden aan dat de niet-lineaire interactie tussen de grafeenplasmonen cruciaal was om de harmonische generatie te beschrijven. Volgens Irati Alonso Calafell, de hoofdauteur van het artikel, “hebben we aangetoond dat de relatief eenvoudige gouden nanoribbons tegelijkertijd de niet-lineariteit van grafeen kunnen versterken, grafeenplasmonen kunnen prikkelen en een plasmonische holte kunnen creëren.”

Hoewel het vakgebied van grafeenplasmonics nog in de kinderschoenen staat, zijn de onderzoekers ervan overtuigd dat deze resultaten kunnen worden gebruikt om nieuwe fysica in grafeen-heterostructuren te onderzoeken en tot een verscheidenheid aan toepassingen kunnen leiden. Lee Rozema, een van de wetenschappers die aan het project werken, zei: “Ons team in Wenen heeft eerder voorgesteld dat niet-lineaire interacties die worden gemedieerd door grafeenplasmonen kunnen worden gebruikt voor kwantumcomputers, en nu hebben we experimentele bevestiging gegeven dat deze plasmonen inderdaad niet-lineair kunnen interageren. ” Het team is van plan te blijven streven naar nog efficiëntere heterostructuren van grafeen, door te experimenteren met nieuwe metaalgeometrieën en door verschillende soorten niet-lineaire interacties te exploiteren.