Поверхностные плазмоны-поляритоны – это квазичастицы, представляющие собой своеобразный «гибрид» света и электронов. Простой способ создания и управления поверхностными плазмонами-поляритонами в графене предложила группа исследователей из Испании и Аргентины. Новая техника предполагает использование для этого простых золотых антенн, позволяющих направлять энергию света в материал. В перспективе работа ученых может привести к созданию новых электронных устройств, использующих этот процесс в основе своей работы.

Поверхностные плазмоны-поляритоны представляют собой квазичастицы, в рамках которых «объединяются» колебания фотонов и свободных носителей заряда в материале, например, электронов. Хотя поверхностные плазмоны-поляритоны могут образовываться в металлах, гораздо дальше они могут распространятся в графене, поэтому сразу несколько научных групп по всему миру изучают потенциал графена в роли интерфейса между оптическими и электронными схемами в плазмонных устройствах.

Одним из важнейших преимуществ поверхностных плазмонов-поляритонов является тот факт, что их длина волны много меньше, чем у видимого света. Это означает, что устройства, принцип действия которых основан на этих квазичастицах, могут иметь много меньшие размеры, чем те, что работают с видимым светом.

Однако есть и обратная сторона этой «медали»: длина волны плазмона в легированном графене гораздо меньше длины волны падающего фотона той же частоты, что делает импульс поверхностного плазмона-поляритона гораздо больше. Таким образом, для падающего фотона, возбуждающего плазмон в чистом графене, нарушается третий закон Ньютона, требующий, чтобы импульсы сохранялись.

В 2012 году группа исследователей из CIC nanoGUNE и Institute for Photonic Sciences (Испания) одновременно с работавшей независимо группой из США создала и смогла визуализировать поверхностные плазмоны-поляритоны в графене с использованием ближнепольного светового излучения, которое распространяется на очень малые расстояния от источника (но может нести очень большой импульс).

С помощью зонда туннельного микроскопа (являющегося одновременно источником затухающего света), расположенного очень близко к графену, исследователи смогли направить гораздо больший импульс в графен. Тот же зонд микроскопа использовался для отображения поверхностных плазмонов-поляритонов и записи интерференционных картин.

Теперь в своей новой работе та же испанская группа вместе с коллегами из Аргентины предложила более простой путь для возбуждения и контроля подобных квазичастиц в графене, который впоследствии может использоваться в различных устройствах. Для этого исследователи покрыли лист графена крошечными золотыми антеннами (полосками около 3 мкм длиной), которые поглощают фотоны определенной частоты и обеспечивают возбуждение поверхностных плазмонов-поляритонов.

Исследователи также предложили различные способы манипулирования поверхностными плазмонами-поляритонами. Правда, перед тем, как использовать предложенные методики, ученым предстоит повысить расстояние, которое могут проходить квазичастицы в графене (в настоящее время это расстояние не превышает 1 – 2 мкм).

Коллеги ученых считают, что

опубликованная работа является не только значительным научным достижением в сфере контроля поверхностных плазмонов-поляритонов, но и примером эксперимента наивысшей точности, которой они достигли при помощи ближнепольного микроскопа.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Science.