Les semi-conducteurs ont révolutionné l'informatique en raison de leur contrôle efficace du flux de courants électriques sur une seule puce, ce qui a conduit à des dispositifs tels que le transistor. Travailler vers une fonctionnalité accordable similaire pour la lumière, des chercheurs de l'A*STAR Institute of High Performance Computing (IHPC), Singapour, ont montré comment le graphène pouvait être utilisé pour contrôler la lumière à l'échelle nanométrique, faire avancer le concept de circuits photoniques sur puces.

Graphène, qui est constitué d'une seule couche d'atomes de carbone, a d'excellentes propriétés électroniques; certains d'entre eux sont également utiles dans les applications photoniques. D'habitude, seuls les métaux sont capables de confiner la lumière à l'ordre de quelques nanomètres, qui est beaucoup plus petite que la longueur d'onde de la lumière. A la surface des métaux, oscillations collectives d'électrons, les 'plasmons de surface', agissent comme de puissantes antennes qui confinent la lumière dans de très petits espaces. Graphène, avec sa conductivité électrique élevée, montre un comportement similaire aux métaux et peut donc également être utilisé pour des applications à base de plasmons, explique Choon How Gan de l'IHPC, qui a dirigé la recherche.

Gan et ses collègues ont étudié théoriquement et informatiquement comment les plasmons de surface se déplacent le long des feuilles de graphène. Même si le graphène est un moins bon conducteur qu'un métal, donc les pertes de propagation des plasmons sont plus élevées, il présente plusieurs avantages clés, dit le membre de l'équipe Hong Son Chu. "L'avantage clé qui fait du graphène une excellente plate-forme pour les dispositifs plasmoniques est sa grande accordabilité qui ne peut pas être vue dans les métaux nobles habituels, " explique-t-il. " Cette accordabilité peut être réalisée de différentes manières, utilisant des champs électriques ou magnétiques, déclencheurs optiques et température."

Les calculs de l'équipe ont indiqué que les plasmons de surface se propageant le long d'une feuille de graphène seraient beaucoup plus confinés dans un petit espace qu'ils ne se déplaceraient le long d'une surface d'or (voir image). Cependant, l'équipe a également montré que les plasmons de surface se déplaceraient bien mieux entre deux feuilles de graphène mises en contact étroit. Par ailleurs, en ajustant les paramètres de conception tels que la séparation entre les feuilles, ainsi que leur conductivité électrique, un contrôle bien meilleur des propriétés des plasmons de surface est possible.

À l'avenir, Gan et ses collègues prévoient d'étudier ces propriétés pour des applications. "Nous explorerons le potentiel des dispositifs plasmoniques au graphène également pour le régime térahertz et moyen infrarouge, " explique-t-il. " Dans cette gamme spectrale, les structures plasmoniques du graphène pourraient être prometteuses pour des applications telles que la détection moléculaire, comme photodétecteurs, ou pour les appareils optiques qui peuvent commuter et moduler la lumière."