Les chercheurs ont montré qu'une tension continue appliquée à des couches de graphène et de nitrure de bore peut être utilisée pour contrôler l'émission de lumière d'un atome voisin. Ici, le graphène est représenté par une couche supérieure de couleur marron; le nitrure de bore est représenté par des réseaux jaune-vert sous le graphène; et l'atome est représenté par un cercle gris. Une faible concentration de tension continue (en bleu) permet à la lumière de se propager à l'intérieur du nitrure de bore, formant un guide d'ondes étroitement confiné pour les signaux optiques. Crédit :Anshuman Kumar Srivastava et Jose Luis Olivares/MIT
Les chercheurs ont trouvé un moyen de coupler les propriétés de différents matériaux bidimensionnels pour fournir un degré exceptionnel de contrôle sur les ondes lumineuses. Ils disent que cela a le potentiel de conduire à de nouveaux types de détection de la lumière, systèmes de gestion thermique, et des dispositifs d'imagerie à haute résolution.
Les nouvelles découvertes - utilisant une couche de graphène d'un atome d'épaisseur déposée sur une couche 2D similaire d'un matériau appelé nitrure de bore hexagonal (hBN) - sont publiées dans la revue Lettres nano . Le travail est co-écrit par le professeur agrégé de génie mécanique du MIT Nicholas Fang et l'étudiant diplômé Anshuman Kumar, et leurs co-auteurs chez IBM T.J. Centre de recherche Watson, Université polytechnique de Hong Kong, et l'Université du Minnesota.
Bien que les deux matériaux soient structurellement similaires, tous deux composés de réseaux hexagonaux d'atomes qui forment des feuilles bidimensionnelles, ils interagissent chacun de manière assez différente avec la lumière. Mais les chercheurs ont découvert que ces interactions peuvent être complémentaires, et peut se coupler de manière à permettre un grand contrôle sur le comportement de la lumière.
Le matériau hybride bloque la lumière lorsqu'une tension particulière est appliquée au graphène, tout en permettant un type particulier d'émission et de propagation, appelé "hyperbolicité, " lorsqu'une tension différente est appliquée - un phénomène jamais vu auparavant dans les systèmes optiques, dit Croc. L'une des conséquences de ce comportement inhabituel est qu'une feuille de matériau extrêmement mince peut interagir fortement avec la lumière, permettant de guider les faisceaux, canalisé, et contrôlé par des tensions appliquées à la feuille.
"Cela représente une nouvelle opportunité d'envoyer et de recevoir de la lumière sur un espace très confiné, " Croc dit, et pourrait conduire à "un matériau optique unique qui a un grand potentiel pour les interconnexions optiques". De nombreux chercheurs considèrent l'amélioration de l'interconnexion des composants optiques et électroniques comme une voie vers des systèmes de calcul et d'imagerie plus efficaces.
Une concentration plus élevée de charge électrique dans le graphène (en rouge) « repousse » la lumière provenant de l'atome. Crédit :Anshuman Kumar Srivastava et Jose Luis Olivares/MIT
L'interaction de la lumière avec le graphène produit des particules appelées plasmons, tandis que la lumière interagissant avec hBN produit des phonons. Fang et ses collègues ont découvert que lorsque les matériaux sont combinés d'une certaine manière, les plasmons et les phonons peuvent se coupler, produisant une forte résonance.
Les propriétés du graphène permettent un contrôle précis de la lumière, tandis que hBN fournit un confinement et un guidage très forts de la lumière. La combinaison des deux permet de créer de nouveaux « métamatériaux » qui marient les avantages des deux, disent les chercheurs.
Phédon Avouris, chercheur chez IBM et co-auteur de l'article, dit, "La combinaison de ces deux matériaux fournit un système unique qui permet la manipulation de processus optiques."
Les matériaux combinés créent un système accordé qui peut être ajusté pour permettre à la lumière uniquement de certaines longueurs d'onde ou directions spécifiques de se propager, ils disent. "Nous pouvons commencer à sélectionner sélectivement certaines fréquences [à laisser passer], et en rejeter certains, " dit Kumar.
Ces propriétés devraient permettre, Croc dit, pour créer de minuscules guides d'ondes optiques, environ 20 nanomètres – la même gamme de tailles que les plus petites caractéristiques qui peuvent maintenant être produites dans des micropuces. Cela pourrait conduire à des puces qui combinent des composants optiques et électroniques dans un seul appareil, avec des pertes beaucoup plus faibles que lorsque de tels dispositifs sont fabriqués séparément puis interconnectés, ils disent.
Co-auteur Tony Low, chercheur à IBM et à l'Université du Minnesota, dit, "Notre travail ouvre la voie à l'utilisation d'hétérostructures de matériaux 2D pour l'ingénierie de nouvelles propriétés optiques à la demande."
Une autre application potentielle, Croc dit, vient de la possibilité d'allumer et d'éteindre un faisceau lumineux à la surface du matériau ; parce que le matériau fonctionne naturellement dans les longueurs d'onde du proche infrarouge, cela pourrait ouvrir de nouvelles voies pour la spectroscopie infrarouge, il dit. "Il pourrait même permettre la résolution d'une seule molécule, " Croc dit, de biomolécules placées à la surface du matériau hybride.
Sheng Shen, un professeur adjoint de génie mécanique à l'Université Carnegie Mellon qui n'était pas impliqué dans cette recherche, dit, "Ce travail représente un progrès significatif dans la compréhension des interactions accordables de la lumière dans le graphène-hBN." Le travail est "assez critique" pour fournir la compréhension nécessaire pour développer des dispositifs optoélectroniques ou photoniques basés sur le graphène et le hBN, il dit, et "pourrait fournir des conseils théoriques directs sur la conception de tels types d'appareils. … Je suis personnellement très enthousiasmé par ce nouveau travail théorique."
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
