Graphène, une forme exotique de carbone constituée de feuillets d'un seul atome d'épaisseur, présente une nouvelle réaction à la lumière, Des chercheurs du MIT ont découvert : Déclenché par l'énergie de la lumière, le matériau peut produire du courant électrique de manière inhabituelle. La découverte pourrait conduire à des améliorations des photodétecteurs et des systèmes de vision nocturne, et éventuellement à une nouvelle approche de la production d'électricité à partir du soleil.

Cet effet générateur de courant avait été observé auparavant, mais les chercheurs avaient supposé à tort que c'était dû à un effet photovoltaïque, dit Pablo Jarillo-Herrero, professeur adjoint de physique au MIT et auteur principal d'un nouvel article publié dans la revue Science . L'auteur principal de l'article est le postdoctorant Nathaniel Gabor; les co-auteurs comprennent quatre étudiants du MIT, Le professeur de physique du MIT Leonid Levitov et deux chercheurs de l'Institut national des sciences des matériaux à Tsukuba, Japon.

Au lieu, les chercheurs du MIT ont découvert que la lumière brillante sur une feuille de graphène, traité de sorte qu'il ait deux régions avec des propriétés électriques différentes, crée une différence de température qui, à son tour, génère un courant. Le graphène chauffe de manière irrégulière lorsqu'il est éclairé par un laser, Jarillo-Herrero et ses collègues ont trouvé :Les électrons du matériau, qui transportent du courant, sont chauffés par la lumière, mais le réseau de noyaux de carbone qui forme l'épine dorsale du graphène reste froid. C'est cette différence de température dans le matériau qui produit le flux d'électricité. Ce mécanisme, surnommé une réponse « hot-carrier », « est très inhabituel, », dit Jarillo-Herrero.

Un tel chauffage différentiel a déjà été observé, mais uniquement dans des circonstances très particulières :soit à des températures ultra basses (mesurées en millièmes de degré au-dessus du zéro absolu), ou lorsque les matériaux sont projetés avec une énergie intense à partir d'un laser à haute puissance. Cette réponse en graphène, par contre, se produit dans une large gamme de températures jusqu'à la température ambiante, et avec une lumière pas plus intense que la lumière du soleil ordinaire.

La raison de cette réponse thermique inhabituelle, Jarillo-Herrero dit, est-ce que le graphène est, livre pour livre, le matériau le plus résistant connu. Dans la plupart des matériaux, les électrons surchauffés transféreraient de l'énergie au réseau qui les entoure. Dans le cas du graphène, cependant, c'est extrêmement difficile à faire, étant donné que la résistance du matériau signifie qu'il faut une énergie très élevée pour faire vibrer son réseau de noyaux de carbone - donc très peu de chaleur des électrons est transférée à ce réseau.

Parce que ce phénomène est si nouveau, Jarillo-Herrero dit qu'il est difficile de savoir quelles pourraient être ses applications ultimes. « Notre travail est principalement de la physique fondamentale, " dit-il, mais ajoute que "beaucoup de gens pensent que le graphène pourrait être utilisé pour toute une variété d'applications".

Mais il y a déjà quelques suggestions, il dit :Le graphène « pourrait être un bon photodétecteur » car il produit du courant d'une manière différente des autres matériaux utilisés pour détecter la lumière. Il peut également « détecter sur une très large gamme d'énergie, », dit Jarillo-Herrero. Par exemple, il fonctionne très bien en lumière infrarouge, ce qui peut être difficile à gérer pour les autres détecteurs. Cela pourrait en faire un élément important des dispositifs, des systèmes de vision nocturne aux détecteurs avancés pour les nouveaux télescopes astronomiques.

Les nouveaux travaux suggèrent que le graphène pourrait également trouver des utilisations dans la détection de molécules biologiquement importantes, comme les toxines, vecteurs de maladies ou contaminants alimentaires, dont beaucoup émettent une lumière infrarouge lorsqu'ils sont illuminés. Et le graphène, fait de carbone pur et abondant, pourrait être un matériau de détecteur beaucoup moins cher que les semi-conducteurs actuellement utilisés qui comprennent souvent des éléments rares, éléments coûteux.

La recherche suggère également que le graphène pourrait être un matériau très efficace pour collecter l'énergie solaire, Jarillo-Herrero dit, parce qu'il répond à une large gamme de longueurs d'onde; les matériaux photovoltaïques typiques sont limités à des fréquences spécifiques, ou couleurs, de la lumière. Mais des recherches supplémentaires seront nécessaires, il dit, ajouter, « On ne sait toujours pas s'il pourrait être utilisé pour une production d'énergie efficace. Il est trop tôt pour le dire.

« C'est l'enfance absolue des photodétecteurs au graphène, », dit Jarillo-Herrero. « Il y a de nombreux facteurs qui pourraient le rendre meilleur ou plus rapide, » qui fera désormais l'objet d'autres recherches.

Philippe Kim, un professeur agrégé de physique à l'Université Columbia qui n'était pas impliqué dans cette recherche, dit que le travail représente "des progrès extrêmement importants vers des applications optoélectriques et de récupération d'énergie" basées sur le graphène. Il ajoute qu'en raison du travail de cette équipe, « nous avons maintenant une meilleure compréhension des électrons chauds photo-générés dans le graphène, excité par la lumière.