Génération et détection de polaritons de plasmons de graphène avec l’électronique térahertz

Les polaritons de plasmons de graphène sont une classe de quasi-particules hybrides dotées de propriétés optoélectroniques intéressantes. Ces particules se sont révélées prometteuses pour le développement de circuits miniaturisés à l’échelle nanométrique qui fonctionnent dans les régions térahertz et infrarouge moyen du spectre électromagnétique.

Ces circuits térahertz pourraient potentiellement traiter des informations à des vitesses remarquables, contribuant ainsi à l’avancement de l’électronique. Malgré le potentiel des polaritons de plasmons de graphène pour réaliser des circuits térahertz à l’échelle nanométrique, les techniques existantes se sont révélées inefficaces pour intégrer les composants électroniques nécessaires au contrôle des signaux de polaritons.

Des chercheurs des laboratoires de recherche fondamentale NTT et de divers instituts au Japon ont récemment mis au point une stratégie permettant de générer, de manipuler et de détecter de manière fiable des paquets d’ondes de plasmons de graphène sur puce à l’aide de l’électronique térahertz. Leur stratégie proposée, présentée dans un article publié dans Électronique naturelleouvre de nouvelles possibilités pour le développement de circuits intégrés plasmoniques en graphène.

« Notre recherche a été motivée par l’objectif de développer des circuits intégrés ultrarapides utilisant le plasmon de graphène, qui possède des propriétés uniques telles que l’accordabilité, une faible perte et un confinement étroit des champs électriques térahertz, des attributs difficiles à obtenir avec l’électronique conventionnelle », a déclaré Katsumasa Yoshioka, co-auteur de l’article, à Tech Xplore.

« Notre projet est le fruit d’un effort collaboratif, réunissant des experts en mesures de transport électrique et en spectroscopie laser ultrarapide. Cette approche interdisciplinaire a favorisé un riche échange d’idées et d’expertise, qui nous a conduit à nos découvertes révolutionnaires. »

Les méthodes conventionnelles de génération de plasmons de graphène térahertz reposent sur des excitations optiques. Leur efficacité est donc considérablement limitée par une inadéquation entre l’impulsion des photons et celle des plasmons.

La nouvelle approche introduite par Yoshioka et ses collègues surmonte les limites de ces méthodes, en injectant directement des impulsions de charge dans le graphène via des contacts ohmiques, ce qui améliore considérablement l’efficacité de génération sur puce.

« Cette méthode marque une étape cruciale vers la construction de circuits à plasmons de graphène », a expliqué Yoshioka. « Nous avons relevé le défi de gérer les signaux électriques térahertz, trois ordres de grandeur plus rapides que l’électronique gigahertz conventionnelle, en intégrant des systèmes laser femtoseconde ultrarapides avec des commutateurs photoconducteurs, ce qui nous permet de générer et de détecter ces signaux dans le domaine temporel. »

Les chercheurs ont démontré la faisabilité de leur stratégie proposée dans une série de tests, au cours desquels ils ont injecté des impulsions électriques dans un micro-ruban de graphène via un contact ohmique. Ils ont montré que ces impulsions pouvaient être efficacement converties en un paquet d’ondes plasmoniques avec des durées d’impulsion courtes.

« Nous avons démontré la capacité de manipuler la phase et l’amplitude des signaux électriques térahertz sur puce en utilisant simplement une tension externe appliquée à l’électrode de grille », a déclaré Yoshioka. « De manière remarquable, nous avons confiné les paquets d’ondes plasmoniques dans un volume d’environ 2,1 × 10^–18 m³, bien plus petits que leurs équivalents dans l’espace libre d’un facteur de plus de 5 milliards.

Les travaux récents de Yoshioka et de ses collègues pourraient ouvrir la voie au développement de circuits térahertz à l’échelle nanométrique. Ces circuits pourraient à leur tour servir à développer de nouveaux dispositifs électroniques destinés à une large gamme d’applications capables de traiter les données plus rapidement et plus efficacement.

« À l’avenir, nous prévoyons d’améliorer la complexité et la fonctionnalité des circuits à plasmons de graphène », a ajouté Yoshioka. « Nos futurs travaux visent à intégrer des filtres, des modulateurs et des amplificateurs accordables dans ces circuits, repoussant ainsi les limites de ce qui est actuellement possible en électronique térahertz et inspirant de nouvelles directions dans ce domaine. »

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