Với một chùm ánh sáng hồng ngoại, các nhà khoa học đã gửi đi những gợn sóng electron trên bề mặt của graphene và chứng minh rằng họ có thể điều khiển chiều dài và chiều cao của những dao động này, gọi là plasmon, sử dụng một mạch điện đơn giản.
Đây là lần đầu tiên người ta quan sát thấy plasmon trên graphene, những tấm carbon chỉ dày một nguyên tử với nhiều tính chất vật lí ưu việt, và là một bước quan trọng hướng đến sử dụng plasmon để xử lí và truyền thông tin trong những không gian quá chặt khó dùng ánh sáng.
“Mọi người đã ngờ rằng sẽ có plasmon ở đấy, nhưng thấy rồi mới tin. Chúng tôi đã tưởng tượng ra chúng và chứng minh rằng chúng có thể truyền đi. Và chúng tôi đã chứng minh rằng chúng tôi có thể điều khiển chúng,” phát biểu của Dimitri Basov, giáo sư vật lí tại trường Đại học California, San Diego, và là tác giả lớn tuổi của bài báo công bố trên số ra trực tuyến ngày 21 tháng 6 của tạp chí Nature.
Để chế tạo dụng cụ, họ đã bóc graphene từ graphite, chất liệu làm ruột bút chì, và cọ xát nó lên trên chip silicon oxide.
Một chùm laser hồng ngoại tập trung lên cánh tay của một kính hiển vi lực nguyên tử sinh ra các plasmon trên bề mặt graphene. Ảnh: Basov Lab/UCSD
Họ tạo ra plasmon bằng cách chiếu một laser hồng ngoại lên bề mặt của graphene và đo sóng bằng cánh tay cực nhạy của một kính hiển vi lực nguyên tử.
Các sóng đi ra là không thể đo. Nhưng khi chúng đi tới rìa của graphene, chúng phản xạ giống như sóng nước do một con tàu chạy tạo ra phản xạ ở cầu tàu.
Các dao động từ rìa phản xạ lại cộng gộp, hoặc triệt tiêu, với các sóng sau đó, tạo ra một hình ảnh giao thoa đặc trưng cho biết bước sóng và biên độ của chúng.
Các nhà khoa học đã chứng minh rằng hình ảnh giao thoa đó có thể thay đổi bằng cách điều khiển một mạch điện gồm những điện cực gắn với bề mặt graphene và một lớp silicon nguyên chất nằm bên dưới những con chip.
Giống hệt như ánh sáng có thể mang những tín hiệu phức tạp truyền qua sợi quang, các plasmon có thể dùng để truyền thông tin. Nhưng plasmon có thể mang thông tin bên trong những không gian chật khít hơn nhiều.
“Không thể giam cầm ánh sáng ở thang bậc nanomet vì bước sóng bằng nhiều trăm nanomet,” phát biểu của Zhe Fei, một nghiên cứu sinh trong phòng thí nghiệm của Basov và là tác giả đứng tên đầu của bài báo trên. “Chúng tôi đã sử dụng ánh sáng để kích thích các plasmon mặt với cỡ chiều dài 100 nanomet hoặc ngắn hơn có thể truyền đi ở tốc độ rất cáo từ phía này sang phía kia của con chip.”
Hiệu suất họ quan sát thấy là đầy hứa hẹn. Đây là một số bước sóng plasmon ngắn nhất từng được đo trong các chất liệu, nhưng các sóng truyền đi xa như chúng truyền trong các kim loại ví dụ như vàng. Và không giống như các plasmon trên kim loại, plasmon trên graphene có thể điều chỉnh được.
Một đội khoa học đang làm việc độc lập ở Tây Ban Nha dưới sự chỉ đại của Frank Koppens, Rainer Hillenbrand và Javier Garcia de Abajo đã có một khám phá tương tự như vậy, sử dụng màng mỏng graphene lắng bởi chất khí thay vì tách từ graphite. Báo cáo của họ, đăng trên cùng số ra của tạp chí Nature, củng cố thêm bằng chứng này cho plasmon graphene.
“Quang điện tử học và xử lí thông tin bằng graphene là rất có triển vọng. Chúng tôi muốn thấy công trình nghiên cứu của mình góp phần cho công nghệ trong tương lai,” Basov nói. “Còn có một nền khoa học cơ bản, hoàn toàn mới phát sinh từ khám phá này. Bằng cách theo dõi các plasmon, chúng ta biết được các electron “làm gì” trong dạng chất liệu mới này của carbon, các tương tác cơ bản chi phối các tính chất của chúng như thế nào. Đây là một hướng nghiên cứu.”
Trần Nghiêm – thuvienvatly.com
Nguồn: Đại học California - San Diego
