Generación completamente óptica de plasmones en grafeno

El grafeno es el material de moda en plasmónica: la interacción de la luz y los electrones en este material permite la propagación de plasmones superficiales gracias a su respuesta óptica no lineal. Un nuevo trabajo de Darrick E. Chang (ICFO, Barcelona, España) y varios colegas muestra cómo generar plasmones en grafeno usando pulsos de luz visible. El nuevo método tiene la ventaja de que el número de onda y la dirección de propagación de los plasmones se puede controlar con gran precisión en un amplio rango de frecuencias.

Un gran avance en la plasmónica en grafeno y de la óptica no lineal española (Chang es contratado Ramón y Cajal en el Instituto de Ciencias Fotónicas, ICFO, que dirige Lluís Torner). El artículo es T. J. Constant et al., “All-Optical Generation of Surface Plasmons in Graphene,” arXiv:1505.00127 [physics.optics]. Recomiendo leer también a A. N. Grigorenko, M. Polini, K. S. Novoselov, “Graphene plasmonics,” Nature Photonics 6: 749-758, 2012, doi: 10.1038/nphoton.2012.262.

Los plasmones superficiales en grafeno fueron observados por primera vez en 2012 sobre un sustrato de Si/SiO2 (Jianing Chen et al., “Optical nano-imaging of gate-tunable graphene plasmons,” Nature 487: 77-81, 05 Jul 2012; doi: 10.1038/nature11254;arXiv:1202.4996 [cond-mat.mtrl-sci]). Prometían revolucionar el campo de la plasmónica, pero son difíciles de generar, de detectar y su vida media es corta. La interacción óptica no lineal del grafeno con al luz es sorprendentemente grande. Por ello parecía prometedor tratar de usarla para generar plasmones. El nuevo trabajo demuestra que es posible.

Bombeando el grafeno con dos haces intensos de luz láser en el visible (en la figura probe a 615 nm y pump entre 615 y 545 nm) se excitan plasmones superficiales (en la figura en color azul) en el grafeno con frecuencias en el infrarrojo medio y lejano. Se usan láseres de femtosegundos en régimen pulsado (con pulsos ≈ 100 fs repetidos a un ritmo de 1 kHz).

Los autores del nuevo artículo han desarrollado un modelo matemático que describe con gran detalle los resultados experimentales observados con grafeno sobre cristales de cuarzo. El buen acuerdo entre la teoría y las observaciones apoya que las ondas observadas son plasmones en grafeno. Como es habitual hoy en día en la primera observación de un fenómeno por una nueva técnica serán necesarios nuevos estudios que lo confirmen. Dado el gran interés de la plasmónica en grafeno estos resultados no tardarán en ser replicados por otros grupos de investigadores.

Las cuasipartículas en el grafeno siguen una relación de dispersión lineal en forma de doble cone con un vértice común en el llamado punto de Dirac (llamado así porque cuando el nivel de Fermi se encuentra en dicho vértice las cuasipartículas se comportan como fermiones de Dirac sin masa). En esta región la conductividad óptica es constante e independiente de los parámetros del material (sólo depende de la constante de estructura fina). El campo eléctrico del pulso láser provoca que los electrones oscilen (con amortiguamiento) en la lámina de grafeno, para apantallar el campo, lo que a su vez genera un campo electromagnético en la superficie, pero de mayor longitud de onda. Este campo da lugar a la onda de tipo plasmón.

No quiero entrar en más detalles técnicos. Los plasmones en grafeno ofrecen gran número de oportunidades para el desarrollo de dispositivos y circuitos fotónicos más pequeños y rápidos. Miles de artículos científicos se dedican todos los años a estudiar las propiedades ópticas del grafeno. Y todavía sigue habiendo sorpresas.

Fuente

Acerca de A. Arrieta

Físico egresado de la Universidad de Córdoba con sede en la Ciudad de Montería. Magister en Física de la Universidad Nacional de Colombia con sede en la ciudad de Medellín. Docente del Instituto Tecnológico Metropolitano (ITM) y docente adscrito a la Secretaría de Educación de Medellín. "Amarrar el conocimiento no te hace más sabio, en cambio compartirlo te hace más útil a la sociedad, trascender y no morir para siempre"
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