La conversion efficace de la lumière en électricité joue un rôle crucial dans de nombreuses technologies, allant des caméras aux cellules solaires. Il constitue également une étape essentielle dans les applications de communication de données, car il permet de convertir les informations portées par la lumière en informations électriques pouvant être traitées dans des circuits électriques. Le graphène est un excellent matériau pour la conversion ultrarapide de la lumière en signaux électriques, mais jusqu'à présent, on ne savait pas à quelle vitesse le graphène réagit aux flashs de lumière ultracourts.

Les chercheurs de l'ICFO Klaas-Jan Tielrooij, Lukasz Piatkowski, Mathieu Massicotte et Achim Woessner dirigés par ICFO Prof. Frank Koppens et ICREA Prof. à ICFO Niek van Hulst, en collaboration avec des scientifiques du groupe de recherche dirigé par Pablo Jarillo-Herrero au MIT et le groupe de recherche dirigé par Jeanie Lau à UC Riverside, ont maintenant démontré qu'un photodétecteur à base de graphène convertit la lumière absorbée en une tension électrique à une vitesse extrêmement élevée. L'étude, intitulé "Génération de photovoltage dans le graphène sur une échelle de temps femtoseconde grâce à un chauffage efficace des porteurs", a récemment été publié dans Nature Nanotechnologie .

Le nouveau dispositif développé par les chercheurs est capable de convertir la lumière en électricité en moins de 50 femtosecondes (un vingtième de millionième de millionième de seconde). Pour faire ça, les chercheurs ont utilisé une combinaison d'excitation laser ultrarapide en forme d'impulsion et de lecture électrique très sensible. Comme le commente Klaas-Jan Tielrooij, "l'expérience a combiné de manière unique l'expertise de mise en forme d'impulsions ultrarapides obtenue à partir de la photonique ultrarapide à molécule unique avec l'expertise en électronique du graphène. Facilité par la réponse photo-thermoélectrique non linéaire du graphène, ces éléments ont permis d'observer des temps de réponse de photodétection femtoseconde."

La création ultrarapide d'une tension photovoltaïque dans le graphène est possible grâce à l'interaction extrêmement rapide et efficace entre tous les porteurs de bande de conduction dans le graphène. Cette interaction conduit à une création rapide d'une distribution d'électrons avec une température électronique élevée. Ainsi, l'énergie absorbée par la lumière est efficacement et rapidement convertie en chaleur électronique. Prochain, la chaleur des électrons est convertie en une tension à l'interface de deux régions de graphène de dopage différent. Cet effet photo-thermoélectrique s'avère se produire presque instantanément, permettant ainsi la conversion ultrarapide de la lumière absorbée en signaux électriques. Comme le déclare le professeur van Hulst, "Il est étonnant de voir comment le graphène permet la détection non linéaire directe d'impulsions femtosecondes (fs) ultrarapides".

Les résultats obtenus à partir des conclusions de ce travail, qui a été partiellement financé par le programme phare de la CE pour le graphène, ouvrir une nouvelle voie vers la conversion optoélectronique ultra-rapide. Comme le commente le professeur Koppens, « Les photodétecteurs au graphène continuent d'afficher des performances fascinantes pour un large éventail d'applications ».