Grafen plasmoner bliver ballistiske

At klemme lys ind i små kredsløb og kontrollere dets strøm elektrisk er en hellig gral, der er blevet et realistisk scenarie takket være opdagelsen af ​​grafen. Denne fristende præstation opnås ved at udnytte såkaldte plasmoner, hvor elektroner og lys bevæger sig sammen som en sammenhængende bølge. Plasmoner styret af grafen - et todimensionalt ark af kulstofatomer - er bemærkelsesværdige, da de kan begrænses til længdeskalaer på nanometer, op til to hundrede gange under lysets bølgelængde. En vigtig hindring indtil nu har været det hurtige tab af energi, som disse plasmoner oplever, begrænse rækkevidden, som de kunne rejse over.

Dette problem er nu løst, som vist af forskere fra ICFO (Barcelona), i et samarbejde med CIC nanoGUNE (San Sebastian), og CNR/Scuola Normale Superiore (Pisa), alle medlemmer af EU's grafenflagskib, og Columbia University (New York).

Siden opdagelsen af ​​grafen, mange andre todimensionelle materialer er blevet isoleret i laboratoriet. Et eksempel er bornitrid, en meget god isolator. En kombination af disse to unikke todimensionelle materialer har givet løsningen på søgen efter at kontrollere lys i små kredsløb og undertrykke tab. Når grafen er indkapslet i bornitrid, elektroner kan bevæge sig ballistisk over lange afstande uden at sprede sig, selv ved stuetemperatur. Denne forskning viser nu, at grafen/bornitrid-materialesystemet også er en fremragende vært for ekstremt stærkt begrænset lys og undertrykkelse af plasmontab.

ICFO prof Frank Koppens kommenterer, at "det er bemærkelsesværdigt, at vi får lys til at bevæge sig mere end 150 gange langsommere end lysets hastighed, og ved længdeskalaer mere end 150 gange mindre end lysets bølgelængde. I kombination med den helt elektriske evne til at styre optiske kredsløb i nanoskala, man kan forestille sig meget spændende muligheder for ansøgninger."

Forskningen, udført af ph.d.-studerende Achim Woessner (ICFO) og Yuando Gao (Columbia) og postdoc-stipendiat Mark Lundeberg (ICFO), er kun begyndelsen på en række opdagelser om nano-optoelektroniske egenskaber af nye heterostrukturer baseret på at kombinere forskellige slags todimensionelle materialer. Materialets heterostruktur blev først opdaget af forskerne ved Columbia University. Prof. James Hone kommenterer:"Boronitrid har vist sig at være den ideelle 'partner' til grafen, og denne fantastiske kombination af materialer fortsætter med at overraske os med sin enestående ydeevne på mange områder".

Prof. Rainer Hillenbrand fra CIC nanoGUNE kommenterer:"Nu kan vi presse lys og samtidig få det til at udbrede sig over betydelige afstande gennem materialer på nanoskala. I fremtiden, grafenplasmoner med lavt tab kunne gøre signalbehandling og databehandling meget hurtigere, og optisk sensing mere effektiv."

Forskerholdet udførte også teoretiske undersøgelser. Marco Polini, fra CNR/Scuola Normale Superiore (Pisa) og IIT Graphene Labs (Genova), opstillede en teori og udførte beregninger sammen med sine samarbejdspartnere. Han forklarer, at "ifølge teorien, samspillet mellem lys, elektroner og materialesystemet er nu meget godt forstået, selv på et fuldt mikroskopisk niveau. Det er meget sjældent at finde et materiale, der er så rent, og hvor dette forståelsesniveau er muligt”.

Disse resultater baner vejen for ekstremt miniaturiserede optiske kredsløb og enheder, der kunne være nyttige til optisk og/eller biologisk sansning, informationsbehandling eller datakommunikation.