Professeur Konstantin Arutyunov de l'Institut d'électronique et de mathématiques HSE Tikhonov de Moscou (MIEM HSE), avec des chercheurs chinois, a développé un résonateur mécanique à base de graphène, dans laquelle émission cohérente de quanta d'énergie sonore, ou phonons, a été induit. De tels appareils, appelés lasers à phonons, ont un large potentiel d'application dans le traitement de l'information, ainsi que la détection classique et quantique des matériaux. L'étude est publiée dans la revue Optique Express .

En utilisant une analogie avec les photons, quanta du spectre électromagnétique, il y a aussi des particules d'énergie sonore, phonons. En réalité, ce sont des objets introduits artificiellement en physique - des quasi-particules, qui correspondent aux vibrations du réseau cristallin de la matière.

Certaines substances, lorsqu'il est irradié, émettre des photons de même longueur d'onde, phase, et polarisation. Ce processus, appelée émission stimulée, a été prédit par Albert Einstein il y a plus d'un siècle et constitue la base de l'appareil que nous connaissons tous :le laser. Les premiers lasers ont été construits il y a une soixantaine d'années, et ils se sont fermement établis dans nos vies dans divers domaines.

Un processus similaire, impliquant l'émission de phonons « identiques », sous-tend un appareil appelé, par analogie, un laser à phonons, ou saser. En réalité, il a été prédit en même temps que les lasers, mais seules quelques réalisations expérimentales ont été développées sur une longue période de temps, et aucun d'entre eux n'a été largement utilisé dans l'industrie.

ions magnésium, semi-conducteurs, systèmes composites à microcavités, résonateurs électromécaniques, nanoparticules, et de nombreuses autres substances et systèmes ont été utilisés comme supports actifs pour les lasers à phonons au cours de la dernière décennie. Contrairement aux études précédentes, la présente étude a utilisé du graphène pour créer des excitations acoustiques cohérentes. En raison des propriétés uniques du graphène, de tels résonateurs peuvent potentiellement être largement utilisés.

Le résonateur au graphène a été réalisé par microlithographie :un film polymère photosensible est déposé sur un substrat de silicium. En utilisant la lumière ultraviolette, une certaine structure est « dessinée » sur le substrat, qui permet ensuite la formation d'un système répétitif de micro-cavités par traitement plasma. Le substrat traité est recouvert d'une couche de graphène, et ce système de 'tambours' se comporte comme un résonateur, c'est-à-dire qu'il amplifie les vibrations externes si elles sont générées avec une certaine fréquence.

Si un tel « tambour » est irradié avec une lumière laser à une longueur d'onde spécifique, les photons sont réfléchis à plusieurs reprises entre le support en silicium et le graphène, formant ainsi des cavités optiques où des vibrations mécaniques de la fréquence appropriée sont produites.

"Expérimentalement, nous avons examiné une nanostructure, qui est une membrane fixe constituée d'une couche monoatomique de carbone, ou un graphène. Vibrations des atomes, ou phonons, y ont été activés par exposition à un rayonnement optique externe, " dit Arutyunov. " On s'attend à ce que la recherche se poursuive, car il présente un intérêt considérable à la fois pour la physique des objets ultra petits et a le potentiel de créer une nouvelle génération de capteurs et de transducteurs optomécaniques quantiques. »