Forskere opdager en ny måde at vende elektricitet til lys ved hjælp af grafen

Når et fly begynder at bevæge sig hurtigere end lydens hastighed, det skaber en shockwave, der producerer et velkendt "boom" af lyd. Nu, forskere ved MIT og andre steder har opdaget en lignende proces i et ark grafen, hvor en strøm af elektrisk strøm kan under visse omstændigheder, overskride hastigheden på bremset lys og frembringe en slags optisk "bom":en intens, fokuseret lysstråle.

Denne helt nye måde at konvertere elektricitet til synlig stråling er meget kontrollerbar, hurtig, og effektiv, siger forskerne, og kan føre til en lang række nye applikationer. Arbejdet er rapporteret i dag i journalen Naturkommunikation , i et papir af to MIT -professorer - Marin Soljačić, professor i fysik; og John Joannopoulos, Francis Wright Davis professor i fysik - samt postdoc Ido Kaminer, og seks andre i Israel, Kroatien, og Singapore.

Det nye fund startede fra en spændende observation. Forskerne fandt ud af, at når lys rammer et ark grafen, som er en todimensionel form af grundstoffet carbon, det kan bremse med en faktor på et par hundrede. Den dramatiske afmatning, de lagde mærke til, præsenterede et interessant sammenfald. Den reducerede hastighed af fotoner (lyspartikler), der bevægede sig gennem arket af grafen, var tilfældigvis meget tæt på elektronernes hastighed, da de bevægede sig gennem det samme materiale.

"Graphene har denne evne til at fange lys, i tilstande, vi kalder overfladeplasmoner, "forklarer Kaminer, hvem er papirets hovedforfatter. Plasmoner er en slags virtuel partikel, der repræsenterer svingninger af elektroner på overfladen. Hastigheden af ​​disse plasmoner gennem grafen er "et par hundrede gange langsommere end lys i det frie rum, " han siger.

Denne effekt tilhørte en anden af ​​grafens usædvanlige egenskaber:Elektroner passerer igennem den ved meget høje hastigheder, op til en million meter i sekundet, eller omkring 1/300 lysets hastighed i et vakuum. Det betød, at de to hastigheder var ens nok til, at der kunne forekomme betydelige interaktioner mellem de to slags partikler, hvis materialet kunne justeres for at få hastighederne til at matche.

Denne kombination af egenskaber - bremse lyset og lade elektroner bevæge sig meget hurtigt - er "en af ​​de usædvanlige egenskaber ved grafen, "siger Soljačić. Det antydede muligheden for at bruge grafen til at producere den modsatte effekt:at producere lys i stedet for at fange det." Vores teoretiske arbejde viser, at dette kan føre til en ny måde at generere lys, " han siger.

Specifikt, forklarer han, "Denne konvertering er muliggjort, fordi den elektroniske hastighed kan nærme sig lyshastigheden i grafen, bryde 'lysbarrieren.' "Ligesom brud på lydbarrieren genererer en stødbølge af lyd, han siger, "I tilfælde af grafen, dette fører til udsendelse af en stødbølge af lys, fanget i to dimensioner. "

Fænomenet, teamet har udnyttet, kaldes Čerenkov -effekten, første gang beskrevet for 80 år siden af ​​den sovjetiske fysiker Pavel Čerenkov. Normalt forbundet med astronomisk fænomen og udnyttet som en måde at opdage ultrahurtige kosmiske partikler, når de suser gennem universet, og også til at detektere partikler som følge af højenergikollisioner i partikelacceleratorer, effekten var ikke blevet anset for relevant for Earthbound -teknologi, fordi den kun virker, når objekter bevæger sig tæt på lysets hastighed. Men lysets sænkning inde i et grafenark gav mulighed for at udnytte denne effekt i en praktisk form, siger forskerne.

Der er mange forskellige måder at konvertere elektricitet til lys - fra de opvarmede wolframtråde, som Thomas Edison fuldendte for mere end et århundrede siden, til lysstofrør, til de lysemitterende dioder (LED'er), der driver mange skærme og får fordel for husholdningsbelysning. Men denne nye plasmonbaserede tilgang kan i sidste ende være en del af mere effektiv, mere kompakt, hurtigere, og mere indstillelige alternativer til visse applikationer, siger forskerne.

Måske mest markant, dette er en måde til effektivt og kontrollerbart at generere plasmoner i en skala, der er kompatibel med den nuværende mikrochipteknologi. Sådanne grafenbaserede systemer kan potentielt være centrale on-chip-komponenter til oprettelse af nye, lysbaserede kredsløb, der betragtes som en stor ny retning i udviklingen af ​​computingteknologi mod stadig mindre og mere effektive enheder.

"Hvis du vil lave alle mulige problemer med signalbehandling på en chip, du vil have et meget hurtigt signal, og også for at kunne arbejde på meget små skalaer, "Kaminer siger. Computerchips har allerede reduceret omfanget af elektronik til det punkt, at teknologien støder ind i nogle fundamentale fysiske grænser, så "du skal gå ind i et andet elektromagnetisk regime, "siger han. Brug af lys i stedet for flydende elektroner som grundlag for at flytte og lagre data har potentiale til at skubbe driftshastighederne" seks størrelsesordener højere end det, der bruges i elektronik, "Kaminer siger - med andre ord, i princippet op til en million gange hurtigere.

Et problem står over for forskere, der forsøger at udvikle optisk baserede chips, han siger, er, at mens elektricitet let kan begrænses inden for ledninger, lys har en tendens til at sprede sig. Inde i et lag grafen, imidlertid, under de rette betingelser, bjælkerne er meget godt begrænsede.

"Der er meget spænding ved grafen, "siger Soljačić, "fordi den let kan integreres med anden elektronik", hvilket muliggør dens potentielle brug som en on-chip lyskilde. Indtil nu, arbejdet er teoretisk, han siger, så det næste trin vil være at oprette arbejdsversioner af systemet for at bevise konceptet. "Jeg har tillid til, at det skal kunne lade sig gøre inden for et til to år, "siger han. Det næste skridt ville så være at optimere systemet til den største effektivitet.

Dette fund "er et virkelig innovativt koncept, der har potentialet til at være nøglen til at løse det mangeårige problem med at opnå meget effektiv og ultrahurtig elektrisk til optisk signalomdannelse i nanoskalaen, "siger Jorge Bravo-Abad, en adjunkt ved det autonome universitet i Madrid, i Spanien, som ikke var involveret i dette arbejde.

Ud over, Bravo-Abad siger, "den nye forekomst af Čerenkov -emission opdaget af forfatterne til dette værk åbner helt nye muligheder for undersøgelsen af ​​Čerenkov -effekten i nanoskala systemer, uden behov for sofistikerede eksperimentelle opsætninger. Jeg glæder mig til at se de betydelige konsekvenser og konsekvenser, som disse fund sikkert vil have i grænsefladen mellem fysik og nanoteknologi. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.