Le graphène a suscité beaucoup d'enthousiasme parmi les scientifiques depuis la découverte du matériau de carbone extrêmement solide et mince en 2004. Juste un atome d'épaisseur, le matériau en forme de nid d'abeille possède plusieurs propriétés remarquables combinant une ténacité mécanique avec une conductivité électrique et thermique supérieure.

Aujourd'hui, un groupe de scientifiques de l'Iowa State University, dirigé par le physicien Jigang Wang, a montré que le graphène possède deux autres propriétés qui pourraient avoir des applications dans les dispositifs de télécommunications à haut débit et la technologie laser :l'inversion de population d'électrons et le gain optique à large bande.

Wang est professeur adjoint au département de physique et d'astronomie du Collège des arts libéraux et des sciences de l'Iowa State University. Il est également chercheur associé au laboratoire Ames du Département de l'énergie.

L'équipe de Wang a flashé des impulsions laser extrêmement courtes sur du graphène. Les chercheurs ont immédiatement découvert un nouvel état de graphène photo-excité caractérisé par une inversion de population à large bande d'électrons. Sous des conditions normales, la plupart des électrons occuperaient des états de basse énergie et quelques-uns seulement peupleraient des états d'énergie plus élevée. Dans les états à population inversée, cette situation est inversée :plus d'électrons peuplent plus haut, plutôt qu'inférieur, états énergétiques. De telles inversions de population sont très rares dans la nature et peuvent avoir des propriétés très inhabituelles. Dans le graphène, le nouvel état produit un gain optique de l'infrarouge au visible.

Simplement déclaré, le gain optique signifie que plus de lumière visible sort qu'elle n'entre. Cela ne peut se produire que lorsque le milieu de gain est pompé à l'extérieur puis stimulé avec de la lumière (émission stimulée). La découverte de Wang pourrait ouvrir la porte à des amplificateurs efficaces dans l'industrie des télécommunications et à des dispositifs optoélectroniques extrêmement rapides.

Le graphène comme milieu de gain pour l'amplification de la lumière

"C'est très excitant, " a déclaré Wang. " Cela ouvre la possibilité d'utiliser le graphène comme moyen de gain pour l'amplification de la lumière. Il pourrait être utilisé dans la fabrication d'amplificateurs optiques à large bande ou de modulateurs à grande vitesse pour les télécommunications. Cela a même des implications pour le développement de lasers à base de graphène. »

L'équipe de Wang a dévoilé ses conclusions dans la revue Physical Review Letters le 16 avril. En plus de Wang, les autres auteurs de l'article sont Tianq Li, Liang Luo et Junhua Zhang, étudiants diplômés en physique de l'État de l'Iowa ; Miron Hupalo, scientifique du laboratoire Ames ; et Michael Tringides et Jörg Schmalian, professeurs de physique de l'État de l'Iowa et scientifiques du laboratoire Ames.

Wang est membre du programme de physique de la matière condensée de l'Iowa State et du Ames Laboratory. Lui et son équipe mènent des expériences optiques en utilisant des techniques de spectroscopie laser, du spectre visible à l'infrarouge moyen et à l'infrarouge lointain. Ils utilisent des impulsions laser ultracourtes jusqu'à 10 quadrillions de seconde pour étudier le monde des nanosciences et des matériaux électroniques corrélés.

En 2004, les chercheurs britanniques Andre Geim et Konstantin Novoselov ont découvert le graphène, ce qui leur a valu le prix Nobel de physique 2010. Le graphène est un matériau bidimensionnel (hauteur et largeur) avec une liste croissante de propriétés uniques connues. C'est une seule couche de carbone d'un seul atome d'épaisseur. Les atomes de carbone sont connectés dans un réseau hexagonal qui ressemble à un nid d'abeille. Malgré un manque de volume, le graphène est plus fort que l'acier, il conduit aussi bien l'électricité que le cuivre et conduit encore mieux la chaleur. Il est également flexible et presque transparent.

Un écart de compréhension existait, Wang a expliqué, entre les deux communautés scientifiques qui ont étudié les propriétés électroniques et photoniques du graphène. Il pensait que son groupe pourrait aider à combler le fossé en élaborant les propriétés optiques non linéaires du graphène et en comprenant l'état électronique de non-équilibre. Wang a expliqué que les propriétés optiques linéaires ne transmettent que la lumière - un signal lumineux entre dans un matériau et un autre en sort. "La propriété non linéaire peut changer et moduler le signal, pas seulement le transmettre, produire des fonctionnalités pour de nouvelles applications d'appareils."

Graphène dans un état hautement non linéaire

Wang a déclaré que d'autres scientifiques ont étudié les propriétés optiques du graphène, mais surtout en régime linéaire. Son équipe a émis l'hypothèse qu'ils pourraient générer un nouvel "état très peu conventionnel" du graphène entraînant une inversion de population et un gain optique.

"Nous avons été le premier groupe à innover, pour commencer à le regarder dans un état hautement excité composé d'électrons extrêmement denses - un état hautement non linéaire. Dans un tel état, le graphène a des propriétés uniques."

Le groupe de Wang a commencé avec des monocouches de graphène de haute qualité cultivées par Hupalo et Tringides dans le laboratoire Ames. Les chercheurs ont utilisé un laser ultrarapide pour « exciter » les électrons du matériau avec de courtes impulsions lumineuses de seulement 35 femtosecondes (35 quadrillionièmes de seconde). Par des mesures des états électroniques photo-induits, L'équipe de Wang a découvert que la conductivité optique (ou l'absorption) des couches de graphène passait de positive à négative – entraînant un gain optique – lorsque l'énergie d'impulsion de la pompe était augmentée au-dessus d'un seuil.

Les résultats ont indiqué que l'état inversé de la population dans le graphène photoexcité émettait plus de lumière qu'elle n'en absorbait. "L'absorption était négative. Cela signifiait que l'inversion de la population était effectivement établie dans le graphène excité et que plus de lumière sortait du milieu inversé que ce qui entrait, qui est le gain optique, " a déclaré Wang. " La lumière émise montre un gain d'environ un pour cent pour une couche d'à peine un atome d'épaisseur, un chiffre du même ordre que ce que l'on voit dans les amplificateurs optiques à semi-conducteurs conventionnels des centaines de fois plus épais."

La clé des expérimentations, bien sûr, créait l'état hautement non linéaire, quelque chose " qui n'existe pas normalement en équilibre thermique, " a dit Wang. " Vous ne pouvez pas simplement mettre du graphène sous la lumière et l'étudier. Vous devez vraiment exciter les électrons avec l'impulsion laser ultrarapide et avoir les connaissances sur les comportements de seuil pour arriver à un tel état."

Wang a déclaré qu'il reste encore beaucoup à faire en matière d'ingénierie et de perfection des matériaux avant que le plein potentiel du graphène pour les lasers et les télécommunications optiques ne soit jamais réalisé. "La recherche montre clairement, bien que, que l'éclairage des graphènes peut produire des émissions plus brillantes ainsi qu'un avenir radieux, " il a dit.