Медленные плазмоны сделали графен аномальным поглотителем

Физики из нескольких стран, включая Россию, обнаружили аномальное поглощение терагерцового света намагниченным графеном. В основе эффекта лежит резонансное взаимодействие сверхмедленных магнито-плазмонных возбуждений с ближним полем, рассеянным контактами образца. Исследование опубликовано в Nature Physics.

Усиление взаимодействия между светом и веществом и локализация излучения в области, существенно меньшие, чем длина волны,— это две крупнейшие проблемы, решением которых занимается нанооптика. Ключом к этому стали резонансы. Например, в средах, где поведение электронов может быть описано с помощью электронного газа, возникают плазмонные резонансы, то есть усиленное поглощение света, связанное с возбуждением плазмонов — коллективных колебаний зарядов.

Другой тип резонанса, который может возникнуть в таких системах — это циклотронный резонанс в присутствии магнитного поля. Он связан с вращением электронной плотности по круговой орбите. Оба типа резонансов позволяют существенно локализовать электромагнитные поля, что нашло применение в усилении рамановского рассеяния, наблюдении нелинейно-оптических эффектов, создании нанолазеров и так далее. Несмотря на достигнутый прогресс, полученные эффекты усиления недостаточны для широкого практического применения.

Группа физиков из Германии, России и США при участии Дениса Бандурина (Denis Bandurin) из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ сообщила, что им удалось существенно усилить связь излучения с веществом в образце графена, в котором существуют оба резонанса. Путем тонкой настройки магнитного поля им удалось увидеть гигантский пик в спектрах фотосопротивления, на удвоенной частоте синхротронного резонанса.

Образец представлял собой лист чистого графена шириной около 8 микрометров и длиной более 30 микрометров, упакованный в оболочку из гексагонального нитрида бора на Si⁺⁺/SiO₂-подложке. Авторы присоединяли к графену контакты и накладывали на него магнитное поле перпендикулярно поверхности. Они направляли на образец излучение с частотой 0,69 терагерц и следили за тем, насколько сильно оно поглощается. Правда, прямое измерение абсорбции было затруднено тем, что характерные размеры графенового листа много меньше длины волны излучения.

Вместо этого физики следили за продольным сопротивлением образца. Резонансное возбуждение электронной плотности уменьшает проводимость графена, что выражается в фоточувствительности сопротивления. Резонанс, в свою очередь, связан с циклотронной частотой, зависящей от магнитного поля. Меняя это поле, авторы обнаружили, что, когда частота излучения равна удвоенной циклотронной частоте, фотосопротивление имеет пик, на несколько порядков больший, чем таковой при одинарной циклотронной частоте. Эффект сохранялся в широком диапазоне температур и интенсивностей, хотя его амплитуда при этом менялась.

Ученые построили теоретическую модель, которая объясняла бы увиденное в опыте. Согласно ей, падающее излучение рассеивается на металлических контактах, подсоединенных к графену, что выражается в появлении ближнеполевых компонент. Большинство из них экранируется графеновыми электронами, однако для частот, кратных циклотронным, происходит пересечение дисперсионных соотношений возбуждений обоего типа. В этом случае групповая скорость плазмонов стремится к нулю, а их плотность состояний резко растет, что увеличивает вероятность поглощения.

Авторы утверждают, что эффект ограничен, по сути, только разрушениями самих плазмонов, а также потерей электронных импульсов. Чтобы убедиться, что описанный механизм на самом деле имеет место, физики изготовили образец, в котором контакты были вынесены за графеновый лист. В этом случае пик в фотосопротивлении действительно исчез.

Плазмоны в графене способны не только поглощать свет, но и излучать. Мы уже рассказывали, как физики научились изготавливать таким способом терагерцовый лазер и управлять его свойствами.

Марат Хамадеев