Cette illustration représente le processus d'émission de lumière à partir d'une feuille de graphène, qui est représenté par le réseau bleu sur la surface supérieure d'un matériau de support. La flèche de couleur claire se déplaçant vers le haut au centre représente un électron en mouvement rapide. Parce que l'électron se déplace plus vite que la lumière elle-même, il génère une onde de choc, qui crache des plasmons, représenté par des lignes ondulées rouges, dans deux sens. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Lorsqu'un avion commence à se déplacer plus vite que la vitesse du son, il crée une onde de choc qui produit un "boum" sonore bien connu. Maintenant, des chercheurs du MIT et d'ailleurs ont découvert un processus similaire dans une feuille de graphène, dans lequel un passage de courant électrique peut, dans certaines circonstances, dépasser la vitesse de la lumière ralentie et produire une sorte de "boom" optique :un intense, faisceau de lumière focalisé.
Cette toute nouvelle façon de convertir l'électricité en rayonnement visible est hautement contrôlable, vite, et efficace, disent les chercheurs, et pourrait conduire à une grande variété de nouvelles applications. Le travail est rapporté aujourd'hui dans le journal Communication Nature , dans un article de deux professeurs du MIT—Marin Soljačić, professeur de physique; et Jean Joannopoulos, le professeur de physique Francis Wright Davis, ainsi que le post-doctorant Ido Kaminer, et six autres en Israël, Croatie, et Singapour.
La nouvelle découverte est partie d'une observation intrigante. Les chercheurs ont découvert que lorsque la lumière frappe une feuille de graphène, qui est une forme bidimensionnelle de l'élément carbone, il peut ralentir d'un facteur de quelques centaines. Ce ralentissement dramatique, ils ont remarqué, présenté une coïncidence intéressante. La vitesse réduite des photons (particules de lumière) se déplaçant à travers la feuille de graphène était très proche de la vitesse des électrons lorsqu'ils se déplaçaient à travers le même matériau.
"Le graphène a cette capacité de piéger la lumière, dans les modes que nous appelons plasmons de surface, " explique Kaminer, qui est l'auteur principal de l'article. Les plasmons sont une sorte de particule virtuelle qui représente les oscillations des électrons à la surface. La vitesse de ces plasmons à travers le graphène est « quelques centaines de fois plus lente que la lumière dans l'espace libre, " il dit.
Cet effet s'accordait avec une autre des caractéristiques exceptionnelles du graphène :les électrons le traversent à très grande vitesse, jusqu'à un million de mètres par seconde, ou environ 1/300 de la vitesse de la lumière dans le vide. Cela signifiait que les deux vitesses étaient suffisamment similaires pour que des interactions significatives puissent se produire entre les deux types de particules, si le matériau pouvait être réglé pour que les vitesses correspondent.
Cette combinaison de propriétés - ralentir la lumière et permettre aux électrons de se déplacer très rapidement - est "l'une des propriétés inhabituelles du graphène, " dit Soljačić. Cela suggérait la possibilité d'utiliser le graphène pour produire l'effet inverse :produire de la lumière au lieu de la piéger. " Nos travaux théoriques montrent que cela peut conduire à une nouvelle façon de générer de la lumière, " il dit.
Spécifiquement, il explique, "Cette conversion est rendue possible car la vitesse électronique peut approcher la vitesse de la lumière dans le graphène, franchir la « barrière lumineuse ». » Tout comme franchir le mur du son génère une onde de choc sonore, il dit, « Dans le cas du graphène, cela conduit à l'émission d'une onde de choc lumineuse, piégé dans deux dimensions."
Le phénomène que l'équipe a exploité s'appelle l'effet Čerenkov, décrit pour la première fois il y a 80 ans par le physicien soviétique Pavel Čerenkov. Généralement associé à un phénomène astronomique et exploité comme un moyen de détecter des particules cosmiques ultrarapides alors qu'elles traversent l'univers, et aussi pour détecter les particules résultant de collisions à haute énergie dans les accélérateurs de particules, l'effet n'avait pas été considéré comme pertinent pour la technologie Earthbound car il ne fonctionne que lorsque les objets se déplacent près de la vitesse de la lumière. Mais le ralentissement de la lumière à l'intérieur d'une feuille de graphène a permis d'exploiter cet effet sous une forme pratique, disent les chercheurs.
Il existe de nombreuses façons différentes de convertir l'électricité en lumière, des filaments de tungstène chauffés que Thomas Edison a perfectionnés il y a plus d'un siècle, aux tubes fluorescents, aux diodes électroluminescentes (LED) qui alimentent de nombreux écrans d'affichage et gagnent en popularité pour l'éclairage domestique. Mais cette nouvelle approche basée sur les plasmons pourrait éventuellement faire partie d'une approche plus efficace, plus compact, plus rapide, et des alternatives plus adaptables pour certaines applications, disent les chercheurs.
Peut-être le plus important, il s'agit d'un moyen de générer de manière efficace et contrôlable des plasmons à une échelle compatible avec la technologie actuelle des micropuces. De tels systèmes à base de graphène pourraient potentiellement être des composants clés sur puce pour la création de nouveaux, circuits à base de lumière, qui sont considérés comme une nouvelle direction majeure dans l'évolution de la technologie informatique vers des appareils toujours plus petits et plus efficaces.
"Si vous voulez résoudre toutes sortes de problèmes de traitement du signal sur une puce, vous voulez avoir un signal très rapide, et aussi de pouvoir travailler à de très petites échelles, " dit Kaminer. Les puces informatiques ont déjà réduit l'échelle de l'électronique au point que la technologie se heurte à certaines limites physiques fondamentales, donc "vous devez entrer dans un régime différent d'électromagnétisme, ", dit-il. L'utilisation de la lumière au lieu du flux d'électrons comme base pour déplacer et stocker des données a le potentiel de pousser les vitesses de fonctionnement "six ordres de grandeur plus élevées que ce qui est utilisé en électronique, " dit Kaminer - en d'autres termes, en principe jusqu'à un million de fois plus vite.
Un problème rencontré par les chercheurs essayant de développer des puces optiques, il dit, est que tandis que l'électricité peut être facilement confinée dans les fils, la lumière a tendance à s'étaler. À l'intérieur d'une couche de graphène, cependant, dans les bonnes conditions, les poutres sont très bien confinées.
« Il y a beaucoup d'enthousiasme pour le graphène, " dit Soljačić, « parce qu'il pourrait être facilement intégré à d'autres appareils électroniques » permettant son utilisation potentielle comme source de lumière sur puce. Jusque là, le travail est théorique, il dit, la prochaine étape sera donc de créer des versions fonctionnelles du système pour prouver le concept. "J'ai confiance que cela devrait être faisable d'ici un à deux ans, " dit-il. La prochaine étape serait alors d'optimiser le système pour la plus grande efficacité.
Cette découverte "est un concept vraiment innovant qui a le potentiel d'être la clé pour résoudre le problème de longue date d'obtenir une conversion de signal électrique-optique très efficace et ultrarapide à l'échelle nanométrique, " dit Jorge Bravo-Abad, professeur assistant à l'Université autonome de Madrid, en Espagne, qui n'a pas participé à ce travail.
En outre, Bravo-Abad dit, "le nouvel exemple d'émission erenkov découvert par les auteurs de ce travail ouvre de toutes nouvelles perspectives pour l'étude de l'effet Čerenkov dans les systèmes à l'échelle nanométrique, sans avoir besoin d'installations expérimentales sophistiquées. J'ai hâte de voir l'impact et les implications significatifs que ces découvertes auront sûrement à l'interface entre la physique et la nanotechnologie."
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.
