24.02.2022 - Universität Regensburg

Luz congelada en el grafeno

Base para detectores de infrarrojos y terahercios extremadamente sensibles y mucho más pequeños que los existentes, con una eficacia de absorción similar

Científicos de la Universidad de Ratisbona, el Instituto Tecnológico de Massachusetts, el Instituto de Física y Tecnología de Moscú y la Universidad de Kansas han descubierto una absorción de luz anormalmente intensa en el grafeno. El efecto se debe a la conversión de las ondas electromagnéticas ordinarias en ondas superficiales superlentas que atraviesan el grafeno. La observación es de interés fundamental y muestra de forma impresionante cómo la interacción de los modos Bernstein, las excitaciones colectivas de los electrones impulsadas por su movimiento ciclotrónico y el emborronamiento de los campos eléctricos a las escalas más pequeñas debido a la no localidad pueden influir en la absorción de radiación del grafeno. Este comportamiento podría servir de base para crear detectores de infrarrojos y terahercios extremadamente sensibles, mucho más pequeños que los actuales, con una eficiencia de absorción similar. Las investigaciones se han llevado a cabo en el marco del Centro de Investigación Colaborativa 1277 y se han publicado en la revista Nature Physics.

La experiencia cotidiana nos enseña que la eficacia de la captación de energía luminosa es proporcional al área de absorción. Los "campos" de paneles solares que salpican muchos desiertos son una clara muestra de ello. ¿Puede un objeto absorber la radiación de un área mayor que él mismo? Resulta que sí, y es posible cuando la frecuencia de la luz está en resonancia con el movimiento de los electrones en el absorbedor. En este caso, el área de absorción de la radiación es del orden del cuadrado de la longitud de onda de la luz, aunque el propio absorbente puede ser extremadamente pequeño.

Para recibir las ondas electromagnéticas -desde las radiofrecuencias hasta la gama ultravioleta- con las menores pérdidas posibles, se utilizan fenómenos de absorción resonante. Dos clases de resonancias son especialmente prometedoras para estas aplicaciones: la primera y más fundamental se denomina resonancia ciclotrónica y se produce cuando la frecuencia de la onda electromagnética entrante coincide con la frecuencia a la que el electrón gira en una trayectoria circular en un campo magnético aplicado. La segunda resonancia resulta del movimiento sincrónico de los electrones y el campo electromagnético de un límite de la muestra al otro y se llama resonancia de plasmón. Ambas resonancias se han investigado experimentalmente con éxito en diferentes sistemas. Sin embargo, el efecto observado de mejora de la absorción ha sido comparativamente pequeño en la mayoría de los semiconductores estudiados hasta ahora.

En el presente trabajo se ha investigado la absorción de las ondas electromagnéticas en condiciones en las que existen simultáneamente ambas resonancias, la ciclotrónica y la plasmónica. Para estudiar este fenómeno se eligió que la frecuencia de la onda electromagnética fuera del orden de unos pocos terahercios. Para los experimentos realizados en el Centro de Terahercios de la Universidad de Ratisbona (TerZ) se eligió el grafeno, una capa de átomos de carbono. Se trata de una sustancia que también puede encontrarse en capas en las minas de los lápices convencionales. Su gran pureza no sólo permite que se produzcan oscilaciones de plasma, rápidas oscilaciones de la densidad de electrones, en la estructura, sino que además la preserva, ya que los electrones pueden pasar de un límite a otro de la muestra sin encontrar impurezas.

La exposición del grafeno a un campo magnético crea las condiciones para la resonancia ciclotrónica al forzar a los electrones a entrar en órbitas. Se utilizó la radiación proporcionada por un láser de terahercios para excitar el grafeno, lo que condujo a un resultado sorprendente: Mientras que la fotoseñal era relativamente pequeña en la resonancia ciclotrónica convencional, los investigadores observaron una enorme fotorrespuesta en su doble frecuencia. Una comparación detallada del experimento con la teoría muestra que la fuerte foto-señal se debe a la interacción de las resonancias de ciclotrón doble y de plasmón en los llamados modos Bernstein, oscilaciones de la densidad de electrones impulsadas por el movimiento del ciclotrón. La radiación de terahercios entrante se ''reconfigura'' en la superficie de la muestra y se acopla a estos modos. Cerca de la frecuencia de la resonancia del doble ciclotrón, las ondas de plasmón se desaceleran fuertemente - su velocidad cae casi a cero, de modo que los electrones caen en una especie de rigidez. La luz que incide en el grafeno queda atrapada y se transforma en una onda superficial ultralenta. Estas ondas quedan "atrapadas" en el grafeno y permanecen allí hasta que son absorbidas. Cuanta más luz absorbe el grafeno, más se calienta y más cambia su resistencia, lo que provoca una mayor señal luminosa. Por tanto, el cambio de resistencia del grafeno bajo la acción de la luz es una medida de su capacidad de absorción.

En este régimen se espera que el grafeno sea un superabsorbente. Es decir, no sólo captará la luz de un área mayor que su tamaño geométrico, sino que será capaz de captar la luz de un área mayor que el cuadrado de la longitud de onda. La velocidad anómala del plasmón en el grafeno magnetizado crea todos los requisitos para ello.

En el contexto de este estudio del Centro de Investigación Colaborativa 1277, el grafeno resultó ser una plataforma muy adecuada para observar una absorción anómala de terahercios. Estas investigaciones arrojan nueva luz sobre la interacción entre la luz y la materia y amplían el papel de los campos eléctricos a las escalas más pequeñas. Sin embargo, la observabilidad del fenómeno no se limita sólo al grafeno: muchos materiales y nanoestructuras basados en él admiten ondas superficiales ultralentas. Descubrirlas y explorarlas es un objetivo inmediato del equipo internacional de investigación.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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