Les feuilles de carbone d'une épaisseur d'un atome, connues sous le nom de graphène, possèdent une gamme de propriétés électroniques que les scientifiques étudient pour une utilisation potentielle dans de nouveaux dispositifs. Les propriétés optiques du graphène retiennent également l'attention, qui pourrait encore augmenter grâce aux recherches de l'Institut de recherche et d'ingénierie des matériaux A*STAR (IMRE). Bing Wang de l'IMRE et ses collègues ont démontré que les interactions de feuilles de graphène uniques dans certains réseaux permettent un contrôle efficace de la lumière à l'échelle nanométrique.

La lumière pressée entre des feuilles de graphène uniques peut se propager plus efficacement que le long d'une seule feuille. Wang note que cela pourrait avoir des applications importantes dans la nanofocalisation optique et dans l'imagerie par superlentilles d'objets à l'échelle nanométrique. Dans les instruments optiques conventionnels, la lumière ne peut être contrôlée que par des structures qui sont à peu près à la même échelle que sa longueur d'onde, qui pour la lumière optique est beaucoup plus grande que l'épaisseur du graphène. En utilisant des plasmons de surface, qui sont des mouvements collectifs d'électrons à la surface de conducteurs électriques comme le graphène, les scientifiques peuvent focaliser la lumière à la taille de quelques nanomètres seulement.

Wang et ses collaborateurs ont calculé la propagation théorique des plasmons de surface dans des structures constituées de feuilles de graphène à une seule atomique, séparés par un matériau isolant. Pour les petites séparations de l'ordre de 20 nanomètres, ils ont découvert que les plasmons de surface dans les feuilles de graphène interagissaient de telle sorte qu'ils devenaient « couplés » (voir image). Ce couplage théorique était très fort, contrairement à ce que l'on trouve dans d'autres matériaux, et a grandement influencé la propagation de la lumière entre les feuilles de graphène.

Les chercheurs ont trouvé, par exemple, que les pertes optiques ont été réduites, la lumière pouvait donc se propager sur de plus longues distances. En outre, sous un angle d'entrée particulier pour la lumière, l'étude a prédit que la réfraction du faisceau entrant irait dans la direction opposée à ce qui est normalement observé. Une telle réfraction négative inhabituelle peut entraîner des effets remarquables tels que la superlentille, qui permet l'imagerie avec une résolution presque illimitée.

Le graphène étant un semi-conducteur et non un métal, il offre beaucoup plus de possibilités que la plupart des autres appareils plasmoniques, commente Jing Hua Teng de l'IMRE, qui a dirigé la recherche. "Ces matrices de feuilles de graphène peuvent conduire à des dispositifs contrôlables dynamiquement, grâce au réglage plus facile des propriétés du graphène grâce à des stimuli externes tels que des tensions électriques. » Le graphène permet également un couplage efficace des plasmons à d'autres objets à proximité, telles que les molécules qui sont adsorbées à sa surface. Teng dit donc que la prochaine étape consiste à explorer davantage la physique intéressante des structures de réseaux de graphène et à examiner leurs applications immédiates.