Поляризованный свет расталкивает плазмоны в графене

Облучение циркулярно поляризованным светом монослоя графена радикальным образом меняет картину, как поверхностные электромагнитные волны (или плазмоны) рассеиваются по углеродному листу. Этот новый результат исследователей из Швеции и Нидерландв, может быть не только важным для изучения того, как носители заряда движутся в графене, но также может помочь построить на основе графена элементы для быстро развивающейся области "метаматериалов".

Графен представляет двумерный лист углерода с атомами, образующими ячеистую решетку, и поглощает свет, ограничивая его в регионах в сотни раз меньших, чем длина волны света (так называемого дифракционного предела) путем образования плазмонов (квантованных коллективных колебаний электронов, которые сильно взаимодействуют со светом). Такое взаимодействие может быть использовано в широком диапазоне технологий, таких как детектирование света и модуляция, оптические коммуникации, фотоэлектрический эффект, спектроскопия и многих других.

Графен может быть очень перспективным плазмонным материалом благодаря своим необычным электронным свойствам – электронам с большой подвижностью, которые ведут себя как релятивистские фермионы Дирака практически без массы покоя. Графен поглощает свет, особенно хорошо в терагерцевом и инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра, что может привести к новым приложениям в фотонике и квантовой оптике. Более того, плазмоны теряют свою энергию (распадаются) очень медленно в графене, что очень важно, потому что чем дольше живут плазмоны, тем это лучше для практических приложений.

Исследователи уже предсказали, что циркулярно поляризованный свет может производить немало новых явлений в графене, таких как фотоэлектрический эффекта Холла, поляризованный долинный ток и фотоиндуцированный эффект Холла. Михаил Кацнельсон из Радбудского университета (Radboud University) в Нидерландах и его коллеги из Университета Упсалы в Швеции уже обнаружили, что он может также привести холловскому типу проводимости в углеродном материале.

«В нашем исследовании мы нашли с помощью формулы Кубо так называемый тензор проводимости однослойного графена, освещенного циркулярно поляризованным светом, - объясняет член команды Дмитрий Юдин из Упсалы. - Мы затем его использовали при решении ряда макроскопических уравнений Максвелла для материала».

Оценка того, как электроны движутся в нелинейном режиме в этих условиях, позволяет исследователям определить зонную структуру графена и измерять определенные параметры «релаксации», уникальные для спина и заряда в углеродном листе. Облучение графена циркулярно поляризованным светом сильно изменяет орбитальную динамику электронов и дырок в материале, и эти изменения приводят к ряду особенностей в его фотоэлектрических коэффициентах. «Например (в отличие от того, что возможно в металлах), они позволяют нам манипулировать распределением поверхностных электромагнитных волн в графене, просто регулируя величину приложенного внешнего светового поля», - сказал Юдин. - Возможность управлять поверхностными волнами в этом случае означает, что мы могли бы создать метаматериалы на основе графеновых элементов».

Метаматериалы – это искусственные материалы, содержащие массивы крошечных структур, таких, как стержни и кольца, которые реагируют на свет и другие электромагнитные волны необычным образом. Например, может быть разработан метаматериал с показателем преломления, изменяющимся по всему материалу, и который в некоторых случаях даже может быть отрицательным. Такие уникальные метаматериалы уже были использованы, чтобы сделать "супер-линзы", для которых был преодолен дифракционный предел, и "шапки-невидимки" для микроволн.

Графен, облучаемый циркулярно поляризованным светом

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365