(Phys.org) - Une tension électrique appliquée peut inciter une tranche de graphène d'un centimètre carré à modifier et à contrôler la transmission du rayonnement électromagnétique avec des longueurs d'onde allant du térahertz au moyen infrarouge.

L'expérience à l'Université Rice fait progresser la science de la manipulation de longueurs d'onde particulières de la lumière d'une manière qui pourrait être utile dans l'électronique de pointe et les dispositifs de détection optoélectroniques.

Dans des travaux antérieurs, le laboratoire Rice du physicien Junichiro Kono a trouvé un moyen d'utiliser des réseaux de nanotubes de carbone comme polariseur térahertz presque parfait. Cette fois, l'équipe dirigée par Kono travaille à un niveau encore plus basique; les chercheurs câblent une feuille de graphène - la forme de carbone d'une épaisseur d'un atome - pour appliquer une tension électrique et ainsi manipuler ce que l'on appelle l'énergie de Fermi. Cette, à son tour, laisse le graphène servir de tamis ou d'obturateur pour la lumière.

La découverte de Kono et de ses collègues de Rice et de l'Institute of Laser Engineering de l'Université d'Osaka a été publiée en ligne ce mois-ci dans le journal de l'American Chemical Society. Lettres nano .

Dans le graphène, « les électrons se déplacent comme des photons, ou lumière. C'est le matériau le plus rapide pour déplacer les électrons à température ambiante, " dit Kono, professeur de génie électrique et informatique, de physique et d'astronomie. Il a noté que de nombreux groupes ont étudié les propriétés électriques exotiques du graphène à des fréquences nulles ou basses.

"Il y a eu des prédictions théoriques sur les propriétés inhabituelles térahertz et infrarouge moyen des électrons dans le graphène dans la littérature, mais presque rien n'avait été fait expérimentalement dans cette gamme, ", a déclaré Kono.

Clé de la nouvelle œuvre, il a dit, sont les mots « grande zone » et « gated ».

« Grand car l'infrarouge et le térahertz ont de grandes longueurs d'onde et sont difficiles à focaliser sur une petite zone, ", a déclaré Kono. "Gated signifie simplement que nous avons attaché des électrodes, et en appliquant une tension entre les électrodes et le substrat (de silicium), nous pouvons régler l'énergie de Fermi.

L'énergie de Fermi est l'énergie de l'état quantique le plus élevé occupé des électrons dans un matériau. En d'autres termes, il définit une ligne qui sépare les états quantiques occupés par des électrons des états vides. « En fonction de la valeur de l'énergie de Fermi, le graphène peut être de type p (positif) ou de type n (négatif), " a-t-il dit.

Faire des mesures fines nécessitait ce qui est considéré dans le monde nano comme une très grande feuille de graphène, même s'il était un peu plus petit qu'un timbre-poste. Le centimètre carré de carbone de l'épaisseur d'un atome a été cultivé dans le laboratoire du chimiste Rice James Tour, un co-auteur de l'article, et des électrodes d'or ont été fixées aux coins.

L'augmentation ou la diminution de la tension appliquée accordait l'énergie de Fermi dans la feuille de graphène, ce qui à son tour a modifié la densité des porteurs libres qui sont de bons absorbeurs d'ondes térahertz et infrarouges. Cela a donné à la feuille de graphène la capacité d'absorber tout ou partie des ondes térahertz ou infrarouges ou de les laisser passer. Avec un spectromètre, l'équipe a découvert que la transmission térahertz culminait à une énergie de Fermi proche de zéro, environ plus-30 volts; avec plus ou moins de tension, le graphène est devenu plus opaque. Pour l'infrarouge, l'effet était le contraire, il a dit, car l'absorption était importante lorsque l'énergie de Fermi était proche de zéro.

« Cette expérience est intéressante car elle permet d'étudier les propriétés térahertz de base des porteurs libres avec ou sans électrons (fournis par la tension de grille), ", a déclaré Kono. La recherche s'est étendue à l'analyse des deux méthodes par lesquelles le graphène absorbe la lumière :par absorption interbande (pour l'infrarouge) et intrabande (pour le térahertz). Kono et son équipe ont découvert que la variation de la longueur d'onde de la lumière contenant à la fois des fréquences térahertz et infrarouge permettait une transition de l'absorption de l'une à l'autre. "Quand on fait varier l'énergie du photon, nous pouvons passer en douceur du régime térahertz intrabande à l'infrarouge dominé par l'interbande. Cela nous aide à comprendre la physique qui sous-tend le processus, " a-t-il dit.

Ils ont également découvert que le recuit thermique - le chauffage - du graphène le nettoie des impuretés et modifie son énergie de Fermi, il a dit.

Kono a déclaré que son laboratoire commencerait à construire des appareils tout en étudiant de nouvelles façons de manipuler la lumière, peut-être en combinant du graphène avec des éléments plasmoniques qui permettraient un degré de contrôle plus fin.

Les co-auteurs de l'article comprennent les anciens étudiants diplômés de Rice Lei Ren, Jun Yao et Zhengzong Sun; Riz étudiant diplômé Qi Zhang; les chercheurs postdoctoraux Rice Zheng Yan et Sébastien Nanot; ancien chercheur postdoctoral Rice Zhong Jin ; et étudiant diplômé Ryosuke Kaneko, le professeur assistant Iwao Kawayama et le professeur Masayoshi Tonouchi du Laser Engineering Institute, Université d'Osaka.