Os pesquisadores do KAIST e seus colaboradores nopaís e no exterior demonstraram com sucesso uma nova metodologia para imagens a³pticas de campo pra³ximo direto de campos acaºsticos de plasma£o de grafeno. Esta estratanãgia proporcionara¡ um avanço para as aplicações prática s de plataformas acaºsticas de grafeno plasmon em dispositivos optoeletra´nicos baseados em grafeno de próxima geração e alto desempenho com interações luz-matéria aprimoradas e menor perda de propagação.

Recentemente, foi demonstrado que plasmons de grafeno , oscilações coletivas de elanãtrons livres no grafeno acoplado a ondas eletromagnanãticas de luz, podem ser usados ​​para capturar e comprimir ondas a³pticas dentro de uma camada dielanãtrica muito fina que separa o grafeno de uma folha meta¡lica. Nessa configuração, os elanãtrons de condução do grafeno são "refletidos" no metal, então, quando as ondas de luz "empurram" os elanãtrons no grafeno, suas cargas de imagem no metal também comea§am a oscilar. Este novo tipo de modo de oscilação eletra´nica coletiva édenominado 'plasmon de grafeno acaºstico (AGP) ".

A existaªncia de AGP poderia ser observada anteriormente apenas por meio de manãtodos indiretos, como espectroscopia infravermelha de campo distante e mapeamento de fotocorrente. Essa observação indireta foi o prea§o que os pesquisadores tiveram que pagar pela forte compressão de ondas a³pticas dentro de estruturas nanomanãtricas. Acreditava-se que a intensidade dos campos eletromagnanãticos fora do dispositivo era insuficiente para imagens a³pticas de campo pra³ximo direto de AGP.

Desafiados por essas limitações, três grupos de pesquisa combinaram seus esforços para reunir uma técnica experimental única usando manãtodos avana§ados de nanofabricação. Suas descobertas foram publicadas na Nature Communications em 19 de fevereiro.

Uma equipe de pesquisa KAIST liderada pelo professor Min Seok Jang da Escola de Engenharia Elanãtrica usou um microsca³pio a³ptico de campo pra³ximo de varredura do tipo espalhamento altamentesensível(s-SNOM) para medir diretamente os campos a³pticos das ondas AGP que se propagam em um nana´metro de espessura guia de ondas, visualizando a compressão de mil vezes da luz infravermelha média pela primeira vez.

O professor Jang e um pesquisador pa³s-doutorado em seu grupo, Sergey G. Menabde, obtiveram com sucesso imagens diretas das ondas AGP, aproveitando seu rápido decla­nio, embora sempre presente, campo elanãtrico acima do grafeno. Eles mostraram que os AGPs são detecta¡veis ​​mesmo quando a maior parte de sua energia estãofluindo dentro do dielanãtrico abaixo do grafeno.

Isso se tornou possí­vel devido a ssuperfÍcies ultralisas dentro dos nano-guias de ondas, onde as ondas plasma´nicas podem se propagar em distâncias mais longas. O modo AGP testado pelos pesquisadores foi até2,3 vezes mais confinado e exibiu uma figura de manãrito 1,4 vezes maior em termos do comprimento de propagação normalizado em comparação com o plasmon desuperfÍcie de grafeno em condições semelhantes.

Essas nanoestruturas ultrasuaves dos guias de onda usados ​​no experimento foram criadas usando um manãtodo de separação de modelo pelo professor Sang-Hyun Oh e um pesquisador pa³s-doutorado, In-Ho Lee, do Departamento de Engenharia Elanãtrica e de Computação da Universidade de Minnesota.

O professor Young Hee Lee e seus pesquisadores do Centro de Fa­sica Nanoestruturada Integrada (CINAP) do Instituto de Ciência Ba¡sica (IBS) da Universidade Sungkyunkwan sintetizaram o grafeno com uma estrutura monocristalina, e este grafeno de alta qualidade e grande área permitiu baixa perda de propagação plasma´nica.

As propriedades químicas e físicas de muitas moléculas orga¢nicas importantes podem ser detectadas e avaliadas por suas assinaturas de absorção no espectro infravermelho manãdio. No entanto, os manãtodos de detecção convencionais requerem um grande número de moléculas para uma detecção bem-sucedida, enquanto os campos AGP ultracomprimidos podem fornecer fortes interações luz-matéria nonívelmicrosca³pico, melhorando significativamente a sensibilidade de detecção atéuma única molanãcula.

Além disso, o estudo conduzido pelo Professor Jang e a equipe demonstrou que os AGPs de infravermelho manãdio são inerentemente menos sensa­veis a perdas no grafeno devido aos seus campos estarem principalmente confinados no dielanãtrico. Os resultados relatados pela equipe de pesquisa sugerem que os AGPs podem se tornar uma plataforma promissora para dispositivos optoeletra´nicos baseados em grafeno eletricamente sintoniza¡veis ​​que normalmente sofrem de taxas de absorção mais altas no grafeno, como metassuperfa­cies, interruptores a³pticos, fotovoltaicos e outras aplicações optoeletra´nicas operando em frequências infravermelhas.

O professor Jang disse: "Nossa pesquisa revelou que os campos eletromagnanãticos ultracompactados de plasmons de grafeno acaºstico podem ser acessados ​​diretamente por meio de manãtodos de microscopia a³ptica de campo pra³ximo. Espero que essa constatação motive outros pesquisadores a aplicar AGPs a vários problemas em que matéria leve forte são necessa¡rias interações e menor perda de propagação. "