テラヘルツグラフェンプラズモンのオンチップ観測

研究者はナノスケール分解能で、テラヘルツ光電流を画像化する技術を開発し、グラフェン光検出器で強力に圧縮されたテラヘルツ波(プラズモン)を視覚化するためにそれを実際に適用しました。このようなプラズモンの極短波長と高密領域が、小型光電子テラヘルツデバイス開発のための新たな道を開きます。

テラヘルツ周波数帯域における放射がここ最近、非破壊撮像、次世代無線通信、あるいは、感知のための、それの多種多様な応用可能性により、多くの関心を集めていまが、未だに、テラヘルツ電磁波の発生、検出、制御は、非常に多くの技術的な諸問題に直面しています。特に比較的長い(30~300mm)THz電磁波は、THzデバイスのナノスケールでの集積化のための、あるいは、ナノスケールセンシングとイメージングアプリケーションのためのソリューションを必要としています。

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グラフェンプラズモン

On-chip observation of THz graphene plasmons

In recent years, graphene plasmonics has become a highly promising platform for shrinking THz waves. It is based on the interaction of light with collective electron oscillations in graphene, giving rise to electromagnetic waves that are called plasmons. The graphene plasmons propagate with strongly reduced wavelength and can concentrate THz fields to subwavelength-scale dimensions, while the plasmons themselves can be controlled electrically.

「ここ数年、グラフェンプラズモニクスは、圧縮THz波のための非常に有望なプラットフォームになっています。それは、プラズモンと呼ばれる電磁波を発する、光とグラフェン中の集団電子振動との相互作用に根差しています。グラフェンプラズモンは、プラズモン自身が電気的に制御可能な一方、大幅に低減された波長で伝播し、サブ波長スケール次元までTHz領域を凝縮できます。」

Now, researchers at CIC nanoGUNE (San Sebastian, Spain) in collaboration with ICFO (Barcelona, Spain), IIT (Genova, Italy) – members of the EU Graphene Flagship – Columbia University (New York, USA), Radboud University (Nijmegen, Netherlands), NIM (Tsukuba, Japan) and Neaspec (Martinsried, Germany) could visualize strongly compressed and confined THz plasmons in a room-temperature THz detector based on graphene.

「現在、国際チームの研究者等は、グラフェンを利用した室温THz検知器において、強く圧縮されて閉じ込められているTHzプラズモンを視覚化可能です。」

光電流ナノ顕微鏡法

To see the plasmons, they recorded a nanoscale map of the photocurrent that the detector produced while a sharp metal tip was scanned across it. The tip had the function to focus the THz illumination to a spot size of about 50 nm, which is about 2000 times smaller than the illumination wavelength. This new imaging technique, named THz photocurrent nanoscopy, provides unprecedented possibilities for characterizing optoelectronic properties at THz frequencies.

「プラズモンを見るために、彼らは、鋭い金属先端が検出器全体に渡って走査されている間にその検出器が作り出す光電流のナノスケールマップを記録しました。その先端は、照明波長に比べ約2000倍小さい、約50ナノメートルのスポットサイズへTHz照明を収束するための機能を有します。この新しい、光電流ナノ顕微鏡法と名付けられた撮像技術が、THz周波数で光電子特性を特徴付けるためのかつてない可能性を提供しています。」

microscopeが顕微鏡なら、nanoscopeは何なのか?と疑問が生じますが、ナノ顕微鏡という訳で落ち着くような気がします。

The team recorded photocurrent images of the graphene detector, while it was illuminated with THz radiation of around 100 mm wavelength. The images showed photocurrent oscillations revealing that THz plasmons with a more than 50 times reduced wavelength were propagating in the device while producing a photocurrent.

「チームは、約100ミリメートル波長のTHz電磁波でそれが照射されている間、グラフェン検出器の光電流画像を記録しました。その画像は、50倍以上低減された波長を持つTHzプラズモンが、光電流を作り出している間、そのデバイス内を伝播している事を示している、光電流振動を明らかにしました。」

プラズモン圧縮

“In the beginning we were quite surprised about the extremely short plasmon wavelength, as THz graphene plasmons are typically much less compressed”, says former nanoGUNE researcher Pablo Alonso, now at the University of Oviedo, and first author of the work. “We managed to solve the puzzle by theoretical studies, which showed that the plasmons couple with the metal gate below the graphene”, he continues. “This coupling leads to an additional compression of the plasmons and an extreme field confinement, which could open the door towards various detector and sensor applications”

「”まず最初に、我々は、THzグラフェンプラズモンは一般的にそんなに圧縮されないので、その極短プラズモン波長にかなり驚かされました。”と、前nanoGUNE研究者、現オビエド大学研究者で論文の筆頭著者でもあるパブロ・アロンゾ氏は語る。”我々は、論理的研究によりそのパズルを何とか解き、そしてその事が、プラズモンがグラフェン下の金属ゲートと結合している事を明らかにしました”、彼は続けます。”このカップリングが、プラズモンの追加的圧縮と極端な場閉じ込めを引き起こし、そしてそれが、さまざまな検出器とセンサー応用のための道を開く可能性があります。”」

The plasmons also show a linear dispersion – that means that their energy is proportional to their momentum – which could be beneficial for information and communication technologies. The team also analysed the lifetime of the THz plasmons, which showed that the damping of THz plasmons is determined by the impurities in the graphene.

「また、そのプラズモンは、自身のエネルギーが自身の運動量に比例している事を意味している、線分散を示し、情報技術と通信技術にとって有益かもしれません。チームは、THzプラズモンの寿命も綿密に精査し、THzプラズモンの減衰がグラフェン中の不純物によって決定されていることを明らかにしました。」

光熱電効果

THz photocurrent nanoscopy relies on the strong photothermoelectric effect in graphene, which transforms heat generated by THz fields, including that of THz plasmons, into a current. In the future, the strong thermoelectric effect could be also applied for on-chip THz plasmon detection in graphene plasmonic circuits. The technique for THz photocurrent nanoimaging could find further application potential beyond plasmon imaging, for example, for studying the local THz optoelectronic properties of other 2D materials, classical 2D electron gases or semiconductor nanostructures.

「光電流ナノ顕微鏡は、グラフェンにおける、THzプラズモンの領域を含むTHz領域によって生成された熱を電流に変換する、強力な光熱電効果に依存しています。将来、その強力な熱電効果は、グラフェンプラズモン回路における、オンチップTHzプラズモン検出に、応用が可能になるかもしれません。THz光電流ナノ撮像用技術が、例えば、他の2次元材料の局所的THz光電子特性、古典的2次元電子気体、または半導体ナノ構造研究用等、プラズモンイメージングを越えた、さらに進んだ応用可能性を見出すかもしれません。」

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