Исследователи из лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ, Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова и университета Тохоку (Япония) теоретически обосновали возможность создания источников когерентных плазмонов, которые станут ключевыми элементами оптоэлектронных схем будущего. Работа прибора основана на уникальных свойствах ван-дер-ваальсовых гетероструктур — композитов из графена и родственных слоистых материалов.
Российские физики разработали компактный плазмонный генератор на основе графена

Работа физиков, посвященная свойствам плазмонов, была опубликована в журнале Physical Review B/. Плазмон — это псевдочастица, представляющая собой смесь колеблющихся электронов и привязанного к ним электромагнитного поля. С помощью плазмонов можно генерировать, передавать и принимать сигналы в интегральных схемах; плазмоны могут выступать посредниками между электронами и световыми волнами в высокоэффективных фотодетекторах и источниках излучения, в том числе в активно осваиваемом терагерцовом диапазоне. Интересно, что энергия плазмона может быть сосредоточена на расстояниях много меньших, чем длина световой волны: следовательно, работающие на плазмонном принципе приборы гораздо миниатюрнее своих фотонных аналогов. Наиболее «спрессованными» являются плазмоны, привязанные к проводящим плоскостям, и на основе таких плазмонов можно создавать наиболее компактные оптоэлектронные приборы.

Но где же можно найти проводящую плоскость, поддерживающую сверхкомпактные плазмоны? На протяжении уже более чем сорока лет такие объекты создают путем выращивания друг на друге нанометровых слоев полупроводников с близкой кристаллической структурой. При этом определенные слои обогащаются электронами и приобретают хорошую электропроводность. Подобные «слоеные пироги» называются гетероструктурами, и их создание было отмечено Нобелевской премией Жореса Алферова в 2000 году.

Однако выращивание нанометровых слоев является не единственным способом получения плоских полупроводников. В последние годы внимание исследователей сосредоточено на другом, истинно двумерном материале — графене. Графен представляет собой слой углерода толщиной в один атом, и может быть получен простым расслоением кристалла графита. За исследование уникальных электронных свойств графена — а они радикально отличаются от свойств «классических» гетероструктур — выпускникам МФТИ Андрею Гейму и Константину Новоселову в 2010 году была присуждена Нобелевская премия. На основе графена уже были созданы транзисторы для приема сверхвысокочастотных сигналов, быстродействующие фотодетекторы, и даже первые прототипы лазеров. Однако свойства графена можно обогатить еще больше, наложив его на другой слоистый материал с похожим кристаллическим строением. По сути, из материалов, похожих на графен, можно создавать те же «слоеные пироги» — гетероструктуры. Только теперь отдельные их составляющие скрепляются ван-дер-ваальсовыми силами, поэтому такие гетероструктуры называются ван-дер-ваальсовыми.

«Рассчитываемая нами структура, — рассказал пресс-службе МФТИ Дмитрий Свинцов, ведущий автор исследования, — является, по сути, активной средой для плазмонов. Более привычными примерами активных сред является гелий-неоновая смесь в газовом лазере или полупроводниковый диод в лазерной указке. Проходя через такие среды, свет усиливается, а если поместить активную среду между зеркалами, то среда будет самопроизвольно генерировать свет. Комбинация «активная среда + зеркала» составляет основу лазера, а активная среда для плазмонов является необходимым элементом плазмонного лазера, или спазера. Если активную среду периодически включать и выключать, то можно получать плазмонные импульсы «по заказу», что может найти приложение для передачи сигналов в интегральных схемах. Родившиеся в активной среде плазмоны также могут «отвязываться» от слоев графена и становиться фотонами в свободном пространстве. Это дает возможность создавать перестраиваемые источники излучения терагерцового и дальнего инфракрасного диапазона».

В своей работе исследователи показывают, что гетероструктура из двух слоев графена, разделенных тонкой прослойкой дисульфида вольфрама, может не только поддерживать компактные двумерные плазмоны, но и генерировать их при приложении электрического напряжения.

Активная среда, конечно же, не является вечным двигателем, и рождающаяся частица (фотон или плазмон) должна откуда-то брать энергию. В гелий-неоновом лазере эта энергия берется от электрона, заброшенного на высокую атомную орбиталь электрическим разрядом. В полупроводниковом лазере эта энергия берется при взаимном уничтожении отрицательных и положительных носителей заряда — электронов и дырок, которые поставляются источником тока. А в предлагаемой двухслойной графеновой структуре плазмон берет энергию от электрона, «прыгающего» со слоя с высокой потенциальной энергией на слой с низкой, как это показано на рисунке. Образование плазмона в результате такого прыжка похоже на образование волн при погружении ныряльщика в воду.

Хотя, говоря более точно, перемещение электрона со слоя на слой больше похоже на просачивание сквозь барьер, а не на прыжок через него. Это явление называется туннелированием, и обычно вероятность туннелирования очень мала уже для нанометровых барьеров. Исключение составляет так называемое резонансное туннелирование, когда каждому электрону из одного слоя уже «подготовлено место» в соседнем слое.