Detección eléctrica de plasmones de grafeno a frecuencias de terahercios

La radiación en el rango de frecuencias de los terahercios (THz) atrae un gran interés científico debido a su enorme potencial en las comunicaciones inalámbricas de próxima generación o en la obtención de imágenes no destructivas. Sin embargo, la generación, detección y control de la radiación de terahercios se enfrenta a numerosos desafíos tecnológicos. En particular, debido a las longitudes de onda relativamente largas (de 30 a 300 mm) de esta radiación, se requieren soluciones alternativas que permitan la integración de los dispositivos a la nanoescala.

En los últimos años, los plasmones de grafeno se han convertido en una plataforma muy prometedora para comprimir la radiación de terahercios. Se basa en la interacción de la luz con las oscilaciones colectivas de los electrones en el grafeno, dando lugar a las ondas electromagnéticas conocidas como plasmones. Los plasmones de grafeno se propagan con una longitud de onda extremadamente reducida y son capaces de concentrar campos eléctricos en dimensiones por debajo de la longitud de onda, al mismo tiempo que sus propiedades pueden ser controladas eléctricamente.

Ahora, investigadores del CIC nanoGUNE (San Sebastián, España), en colaboración con ICFO (Barcelona, España), IIT (Genova, Italia), Columbia University (Nueva York, Estados Unidos), Radboud University (Nijmegen, Paises Bajos), NIM (Tsukuba, Japón) y la empresa Neaspec (Martinsried, Alemania) han visualizado por primera vez plasmones a frecuencias de terahercios fuertemente comprimidos y confinados en un fotodetector basado en el grafeno. Para observar los plasmones, los investigadores registraron un mapa a la nanoescala de la fotocorriente en el detector mediante la exploración de la superficie con una punta metálica puntiaguda. La punta hizo la función de enfocar la iluminación incidente de THz a un tamaño de aproximadamente sólo 50 nm, que es aproximadamente 2000 veces menor que su longitud de onda. Esta nueva técnica de imagen, llamada nanoscopía de fotocorriente en terahercios, abre un nuevo horizonte para la caracterización de las propiedades optoelectrónicas de dispositivos trabajando en el rango espectral de los terahercios..

El equipo registró imágenes de la fotocorriente del detector de grafeno, mientras que este era iluminado con radiación de THz de alrededor de 100 m de longitud de onda. Las imágenes de fotocorriente mostraban oscilaciones que revelaban la propagación de plasmones de terahercios con una longitud de onda 50 veces más corta.

“"Al principio estábamos muy sorprendidos por lo extremadamente corta que era la longitud de onda del plasmón, ya que los plasmones de grafeno a frecuencias de terahercios están normalmente mucho menos comprimidos", dice el antiguo investigador del CIC nanoGUNE Pablo Alonso González, ahora en la Universidad de Oviedo, y primer autor del trabajo. "Logramos resolver el rompecabezas mediante estudios teóricos, que demostraron que los plasmones se acoplan al metal que se encuentra por debajo del grafeno", continúa. "Este acoplamiento conduce a una compresión adicional de los plasmones y a un confinamiento extremo del campo, que podría abrir una nueva vía hacia detectores más sensibles y compactos", añade Rainer Hillenbrand, Ikerbasque Research Professor y líder del Grupo de Nanoóptica del CIC nanoGUNE quien dirigió la investigación. Los plasmones también muestran una dispersión lineal - lo que significa que su energía es proporcional a su momento - lo que podría ser beneficioso para las tecnologías de la información y la comunicación. El equipo también analizó el tiempo de vida de los plasmones a frecuencias de terahercios, lo que demostró que la pérdida de energía de los plasmones de THz está determinado por las impurezas en el grafeno.

La nanoscopía de fotocorriente en terahercios se basa en el fuerte efecto fototermoeléctrico en el grafeno, que transforma el calor generado por los campos de THz, incluido el de los plasmones, en una corriente. En el futuro, este potente efecto termoeléctrico podría también aplicarse para la detección de plasmones en circuitos integrados basados en el grafeno. La técnica de nanoscopía de fotocorriente en terahercios podría encontrar otras potenciales aplicaciones más allá de la obtención de imágenes de plasmones, como por ejemplo, para estudiar en la nanoescala las propiedades optoelectrónicas de nuevos materiales 2D, de los gases de electrones 2D clásicos o de nanoestructuras semiconductoras.