پژوهش‌گرانی از اسپانیا و آرژانتین موفق شده‌اند با روشی ساده پُلاریتون‌های پلاسمون سطحی (SPPs) را در گرافین ایجاد و کنترل کنند. پُلاریتون‌های پلاسمون سطحی شبه‌ذراتی مرکب از  نور و الکترون‌ها هستند. در این تکنیکِ جدید از آنتن‌های طلایی ساده‌ای برای کانالیزه کردن انرژی نور به داخل ماده استفاده شده است. این پژوهش می‌تواند به توسعه‌ی قطعات الکترونیکی جدیدی بیانجامد که از نور استفاده می‌کنند.

پُلاریتون‌های پلاسمون سطحی شبه‌ذراتی هستند که نوسانات فوتون‌ها و حاملین آزاد بار (همچون الکترون‌ها) را ترکیب می‌کنند. اگرچه این شبه‌ذرات در فلزات می‌توانند تحریک شوند٬ بیشتر در گرافین انتشار می‌یابند. بر این اساس بسیاری از گروه‌های پژوهشی٬ قابلیت ذاتی پلاسمونیِ گرافین را به عنوان ماده‌ا‌ی بین‌سطحی در مدارها و قطعات اپتیکی و الکترونیکی مطالعه می‌کنند. یک مزیت SPPها این است که طول‌موج آن‌ها بسیار کوتاه‌تر از طول‌موج نور مرئی است و این یعنی قطعاتی که بر پایه‌ی SPPها ساخته می‌شوند می‌توانند بسیار کوچک‌تر از نوع مشابه خود باشند. با این حال یک موضوع نامطلوب نیز وجود دارد: طول‌موج یک پُلاسمون در گرافینِ آلاییده شده٬ بسیار کوتاه‌تر از طول‌موج فوتون فرودی است که از فرکانس یکسانی برخوردار است. موضوعی که باعث می‌شود تکانه‌ی SPPها بسیار بزرگ‌تر باشد. بنابراین در مورد فوتون فرودی برای تحریک پُلاسمون در گرافین٬ قانون سوم نیوتن (که بر پایستگی تکانه اشاره دارد) نقض خواهد شد.

کانالیزه کردن تکانه

در سال ۲۰۱۲ پژوهش‌گرانی به رهبری راینر هلن براند (Rainer Hillenbrand) از CIC nanoGUNE در دونوستیای سن سباستین و فرانک کوپنز (Frank Koppens) از موسسه‌ی علوم فوتونیک در بارسلونا موازی با گروهی مستقل واقع در ایالات متحده٬ پُلاریتون‌های پلاسمون سطحی در گرافین را ایجاد و از آنان تصویربرداری کرده‌اند. آن‌ها این کار را با استفاده از میکروسکوپ اپتیکی میدان-نزدیک (یا ناپایدار) به انجام رسانده‌اند. این میدان در فاصله‌ی بسیار نزدیکی از یک سطح گسترش می‌یابد اما قادر است تکانه‌ی بسیار بالایی را حمل کند. با بسیار نزدیک‌کردن نوک میکروسکوپ (که منبعی برای نور ناپایدار به حساب می‌آید) به گرافین٬ پژوهش‌گران قادر شده‌اند تا تکانه‌ی بسیار بیشتری را نسبت به آن‌چه پیشتر ممکن بوده به داخل گرافین کانال‌زنی کنند. با استفاده از نوک میکروسکوپِ مشابه٬ آن‌ها توانسته‌اند SPPهای منعکس شده را تصویربرداری کرده و الگوهای تداخلی را ثبت نمایند.

شبیه‌سازی‌های عددی آنتن طلایی کوچک (به شکل مستطیل) که پُلاریتون‌های پلاسمون سطحی (موج‌های به رنگ آبی و قرمز) را در گرافین ایجاد می‌کنند. طول‌موج این پلاریتون‌ها ۳۸۰ نانومتر که با نماد λp نشان داده شده است.

اکنون یک گروه اسپانیایی راهی ساده‌تر و کاربردی‌تر برای تحریک و کنترل پلاسمون‌های گرافینی یافته‌اند که می‌تواند در کاربردهای مهندسی آینده مفید باشد. این محققان گرافین را با آنتن‌های طلایی کوچک پوشش داده‌اند (میله‌هایی به درازای ۳ میکرومتر) که قادرند فوتون‌ها را در فرکانس ویژه‌ای جذب کنند. این کار باعث می‌شود یک دوقطبی اپتیکی در این آنتن ایجاد شود که این به نوبه‌ی خود نور ناپایدار را تولید می‌کند. همان‌طور که این آنتن‌ها در تماس مستقیم با گرافین قرار دارند٬ انرژی حاصل از میدان-نزدیک٬ پُلاریتون‌های پلاسمون سطحی را در گرافین ایجاد می‌کنند. با تغییر اندازه‌ی آنتن‌ها٬ فرکانس نور جذب شده را می‌توان تغییر داد. این کار باعث تغییر فرکانس SPPهای تولید شده نیز خواهد شد.

تمرکز نور و مشاهده‌ی پراش 

پژوهش‌گران٬ SPPها را به طُرق مختلف دستکاری می‌کنند. برای مثال یک آنتن مستقیم٬ امواج SPP صفحه‌ای را به راه می‌اندازد اما این تیم موفق شده با استفاده از آنتنی با نوک به شکل مقعر SPPها را بر روی یک نقطه‌ متمرکز کنند. آن‌ها همچنین موفق شده‌اند تا زاویه‌ی شکست SPPها را با استفاده از یک «منشور» دوبعدی دولایه‌ی گرافین به اثبات برسانند. گرافین دولایه‌ای نسبت به گرافین تک‌لایه‌ای رسانندگی الکتریکی بالا دارد. بنابراین طول‌موج‌ها در داخل منشور طولانی‌تر شده و SPPها نسبت به زاویه‌ی معمولی که از قانون فرنل به دست می‌آیند٬ بیشتر انحنا می‌یابند. محققان بر این باورند که در آینده این گرافینِ دولایه‌ای ضرورتی نخواهد داشت. آن‌طور که هلن براند شرح می‌دهد: «می‌توان به سادگی ولتاژی را به سطح کوچکی از گرافین اعمال کرد و سپس طول‌موج را در داخل منشور برای کنترل زاویه‌ی شکست تنظیم نمود؛ چیزی که با استفاده از مواد دیگر تقریباً غیرممکن می‌نماید.» اگر این کار دست‌یافتنی باشد٬ راه برای ترانزیستور پلاسمونی باز خواهد شد که در آن یک ولتاژ گیت می‌تواند جریان پلاسمونی را روشن یا خاموش کند.»

با این حال قبل از آن‌که چنین دستکاری‌هایی عملی باشند٬ تیم نیاز دارد تا فاصله‌ی طی شده‌ی SPPهایی که در طول گرافین منتشر شوند را ارتقا بخشند؛ در حال حاضر این فاصله به ۱ تا ۲ میکرومتر محدود شده است. این پژوهش‌گران اکنون بر روی ارتقاء گستره‌ی SPPها با استفاده از گرافین‌های با کیفیت بالا کار می‌کنند و در جستجوی راه‌هایی هستند تا گرافین را بیشتر آلاییده ساخته و الکترون‌های آزاد بیشتری داشته باشند. به گفته‌ی هلن براند :«اگر کسی به این مهم دست یابد می‌توان تصور کرد که این امواج حداقل یک مرتبه بیشتر انتشار یابند.»

تخصص گرافین

به گفته‌ی الکساندر گریگُرنکو (Alexander Grigorenko) از دانشگاه منچستر این تحقیق نه تنها یک دستاورد مهم علمی با میزانی از کنترل است که محققان در مورد SPPهای گرافینی به آن دست‌یافته‌اند٬ بلکه یک کار تکنیکیِ اصلی در دقت چیزی‌ است که آن‌ها با استفاده از نوع جدید از میکروسکوپ میدان-نزدیک مشاهده کرده‌اند. وی می‌گوید: «به نظر من تنها دو آزمایشگاه در جهان وجود دارد که می‌تواند شبیه کاری که این گروه انجام داده‌اند را اجرا کند. اما کسی در مورد اهمیت بلند مدت آن چیزی نمی‌داند!»

این تحقیق در مجله‌ی ساینس منتشر شده است.     

منبع:

Tiny gold bars focus light into graphene

درباره‌ی نویسنده: