Ondas de THz que se propagan en forma de polaritones de plasmón

Un grupo de investigación internacional ha obtenido imágenes y examinado ondas de THz que se propagan en forma de polaritones plasmónicos junto con plaquetas semiconductoras anisotrópicas delgadas con longitudes de onda reducidas hasta 65 veces más que las ondas de THz en el espacio libre.

Esto se hizo en colaboración con el centro de investigación vasco CIC nanoGUNE, Shanghai University for Science and Technology, Fudan University (Shanghai), Brno University of Technology, University of the Basque Country, Materials Physics Center (CSIC-UPV/EHU), Donostia International Centro de Física y el Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos (Dresde)

Lo que es aún más diferente es que las longitudes de onda cambian con la dirección de propagación. Estas ondas de THz se pueden emplear para probar las propiedades básicas de los materiales a escala nanométrica y allanar el camino para el desarrollo de dispositivos de chips de THz ultracompactos.

El estudio fue publicado en Materiales de la Naturaleza A diario.

Los polaritones se conocen como estados híbridos de luz y materia, que surgen del acoplamiento de la luz con las excitaciones de la materia. Los polaritones de fonones y plasmones se encuentran bajo instancias muy notables desarrolladas al acoplar la luz a oscilaciones y vibraciones electrónicas colectivas de la red cristalina de manera respectiva.

Desempeñan un papel vital en una variedad de aplicaciones, desde espectroscopia óptica de subdifracción y sensores químicos ultrasensibles hasta moduladores ultracompactos para aplicaciones de comunicación.

En capas delgadas, los polaritones tienen el potencial de propagarse con longitudes de onda hasta 100 veces más cortas en comparación con la longitud de onda del fotón correspondiente. Esto permite la manipulación de la luz a una escala mucho más pequeña de lo que antes era posible con los dispositivos fotónicos tradicionales.

Si bien la mayoría de estos polaritones ultraconfinados se han observado como polaritones de fonones en el rango espectral del infrarrojo medio, los científicos han enfatizado los polaritones de plasmones, ya que pueden existir en rangos espectrales mucho más amplios.

Por otro lado, los polaritones de plasmones generalmente sufren un gran amortiguamiento, lo que resulta en longitudes de propagación cortas. Esto ha desafiado la observación de polaritones plasmónicos ultraconfinados en el espacio real..

Shu Chen, primer autor del estudio, Terahertz Technology Innovation Research Institute, National Basic Science Center—Terahertz Science and Technology Frontier

Usando un nanoscopio THz (más precisamente, un microscopio óptico de barrido de campo cercano de tipo dispersión THz, s-SNOM) en el laboratorio de Rainer Hillenbrand en CIC nanoGUNE (San Sebastián, España), Chen aprendió sobre plaquetas delgadas con cristal de telururo de plata de baja simetría ( Agricultura_dosTú; Hessite) y obtuvo las primeras imágenes en el espacio real de polaritones de plasmones de THz, cuyas longitudes de onda varían hasta 65 veces menos que la longitud de onda del fotón y cambian con la dirección de propagación.

“El telururo de plata es un semiconductor de banda prohibida estrecha con una concentración relativamente alta de electrones móviles, lo que hace que este material sea plasmónico a frecuencias de THz.”, dijo Pengliang Leng, también primer autor colaborador, que fabricó las plaquetas en el laboratorio de Faxian Xiu en la Universidad de Fudan (Shanghái, China).

Debido a la estructura cristalina monoclínica de baja simetría, la masa efectiva de electrones es fuertemente anisotrópica a lo largo de la superficie de las plaquetas, lo que explica la propagación anisotrópica del plasmón polaritón..

Faxian Xiu, Departamento de Física, Universidad de Fudan

Además, los científicos demostraron que las longitudes de propagación comparativas de los polaritones THz podrían incrementarse considerablemente uniéndolos con su imagen especular en un sustrato metálico adyacente.

Debido a este acoplamiento, se forman los llamados polaritones plasmónicos acústicos..

Andrea Konečná, Universidad de Brno (República Checa)

Los polaritones acústicos fueron modelados teóricamente por Konečná.

“Más importante aún, la anisotropía de la propagación de polaritones se conserva cualitativamente, y las longitudes de propagación relativas largas nos permitieron verificar inequívocamente que los polaritones se propagan con frentes de onda elípticos.”, agregó Rainer Hillenbrand de nanoGUNE, quien dirigió el trabajo.

Las longitudes de propagación comparativamente largas de los polaritones de plasmones acústicos elípticos finalmente permitieron a los científicos identificar la masa anisotrópica efectiva del electrón en el plano, estableciendo así una técnica especial para la medición a nanoescala de masas portadoras efectivas direccionales a temperatura ambiente.

Al explotar las propiedades básicas de los materiales tanto en los materiales cuánticos tradicionales como en los nuevos, los polaritones acústicos anisotrópicos confinados en un plano ultraplano pueden dar lugar a aplicaciones de THz ultracompactas en el chip.

La potente concentración de campo presente en el espacio entre la capa polaritónica y la superficie metálica se puede aprovechar para la detección molecular mejorada por campo o el aumento de THz (ultra) fuerte acoplamiento luz-materia con gases de electrones 2D clásicos, moléculas o materiales cuánticos.

Referencia de la revista:

Chen, S. y otra. (2023) Observación en el espacio real de polaritones de plasmones acústicos de terahercios anisotrópicos ultraconfinados en un plano ultraconfinado. Materiales de la Naturaleza. doi.org/10.1038/s41563-023-01547-8.

Fuente: https://www.elhuyar.eus/es