Physiciens du MIPT et de l'Université d'État de Vladimir, Russie, ont converti l'énergie lumineuse en ondes de surface sur le graphène avec une efficacité de près de 90 %. Ils se sont appuyés sur un schéma de conversion d'énergie de type laser et sur des résonances collectives. Le document a été publié en Avis sur les lasers et la photonique .

Manipuler la lumière à l'échelle nanométrique est une tâche cruciale pour pouvoir créer des dispositifs ultracompacts pour la conversion et le stockage d'énergie optique. Pour localiser la lumière à si petite échelle, les chercheurs convertissent le rayonnement optique en ce qu'on appelle des polaritons de plasmon de surface. Ces SPP sont des oscillations se propageant le long de l'interface entre deux matériaux avec des indices de réfraction radicalement différents, en particulier, un métal et un diélectrique ou de l'air. Selon les matériaux choisis, le degré de localisation des ondes de surface varie. C'est le plus fort pour la lumière localisée sur un matériau d'une seule couche atomique d'épaisseur, parce que ces matériaux 2-D ont des indices de réfraction élevés.

Les schémas existants de conversion de la lumière en SPP sur des surfaces 2D ont une efficacité ne dépassant pas 10 %. Il est possible d'améliorer ce chiffre en utilisant des convertisseurs de signaux intermédiaires - des nano-objets de différentes compositions chimiques et géométries.

Les convertisseurs intermédiaires utilisés dans la récente étude en Avis sur les lasers et la photonique sont des points quantiques semi-conducteurs d'une taille de 5 à 100 nanomètres et d'une composition similaire à celle du semi-conducteur solide à partir duquel ils sont fabriqués. Cela dit, les propriétés optiques d'une boîte quantique varient considérablement avec sa taille. Donc en changeant ses dimensions, les chercheurs peuvent l'ajuster à la longueur d'onde optique d'intérêt. Si un assemblage de points quantiques de différentes tailles est éclairé par la lumière naturelle, chaque point répondra à une longueur d'onde particulière.

Les points quantiques se présentent sous diverses formes :cylindres, pyramides, sphères, etc.—et des compositions chimiques différentes. Dans son étude, l'équipe de chercheurs russes a utilisé des points quantiques de forme ellipsoïde de 40 nanomètres de diamètre. Les points ont servi de diffuseurs positionnés au-dessus de la surface du graphène, qui a été illuminé avec une lumière infrarouge à une longueur d'onde de 1,55 micromètre. Un tampon diélectrique de plusieurs nanomètres d'épaisseur séparait la feuille de graphène des points quantiques.

L'idée d'utiliser une boîte quantique comme diffuseur n'est pas nouvelle. Certaines des études précédentes sur le graphène utilisaient un arrangement similaire, avec les points positionnés au-dessus de la feuille 2-D et interagissant à la fois avec la lumière et avec les ondes électromagnétiques de surface à une longueur d'onde commune partagée par les deux processus. Cela a été rendu possible en choisissant une taille de point quantique qui était exactement la bonne. Bien qu'un tel système soit assez facile à accorder sur une résonance, il est sensible à l'extinction de la luminescence - la conversion de l'énergie lumineuse incidente en chaleur - ainsi qu'à la diffusion inverse de la lumière. Par conséquent, l'efficacité de la production SPP n'a pas dépassé 10 %.

"Nous avons étudié un schéma dans lequel un point quantique positionné au-dessus du graphène interagit à la fois avec la lumière incidente et avec l'onde électromagnétique de surface, mais les fréquences de ces deux interactions sont différentes. Le point interagit avec la lumière à une longueur d'onde de 1,55 micromètre et avec le plasmon-polariton de surface à 3,5 micromètres. Ceci est rendu possible par un schéma d'interaction hybride, " dit le co-auteur de l'étude Alexei Prokhorov, chercheur senior au MIPT Center for Photonics and 2-D Materials, et professeur agrégé à l'Université d'État de Vladimir.

L'essence du schéma d'interaction hybride est qu'au lieu d'utiliser seulement deux niveaux d'énergie, les niveaux supérieur et inférieur, la configuration comprend également un niveau intermédiaire. C'est-à-dire, l'équipe a utilisé une structure énergétique proche de celle du laser. Le niveau d'énergie intermédiaire sert à permettre la connexion forte entre la boîte quantique et l'onde électromagnétique de surface. La boîte quantique subit une excitation à la longueur d'onde du laser qui l'éclaire, tandis que les ondes de surface sont générées à la longueur d'onde déterminée par la résonance SPP-point quantique.

"Nous avons travaillé avec une gamme de matériaux pour la fabrication de points quantiques, ainsi qu'avec différents types de graphène, " expliqua Prokhorov. " En dehors du graphène pur, il y a aussi ce qu'on appelle le graphène dopé, qui incorpore des éléments des groupes voisins dans le tableau périodique. Selon le type de dopage, le potentiel chimique du graphène varie. Nous avons optimisé les paramètres de la boîte quantique :sa chimie, géométrie—ainsi que le type de graphène, afin de maximiser l'efficacité de la conversion de l'énergie lumineuse en plasmons-polaritons de surface. Finalement, nous avons opté pour le graphène dopé et l'antimoniure d'indium comme matériau de point quantique. »

Malgré l'apport d'énergie très efficace dans le graphène via l'intermédiaire de la boîte quantique, l'intensité des ondes résultantes est extrêmement faible. Par conséquent, un grand nombre de points doivent être utilisés dans un arrangement spécifique au-dessus de la couche de graphène. Les chercheurs devaient trouver précisément la bonne géométrie, la distance parfaite entre les points pour assurer l'amplification du signal grâce à la mise en phase des champs proches de chaque point. Dans leur étude, l'équipe rapporte avoir découvert une telle géométrie et mesuré un signal dans le graphène qui était de plusieurs ordres de grandeur plus puissant que pour les points quantiques disposés au hasard. Pour leurs calculs ultérieurs, les physiciens ont utilisé des modules logiciels auto-développés.

L'efficacité de conversion calculée du nouveau schéma proposé est aussi élevée que 90 à 95 %. Même en tenant compte de tous les facteurs négatifs potentiels qui pourraient affecter cette figure de mérite, il restera supérieur à 50 %, plusieurs fois supérieur à tout autre système concurrent.

« Une grande partie de ces recherches se concentre sur la création de dispositifs ultracompacts qui seraient capables de convertir l'énergie lumineuse en plasmons-polaritons de surface avec un rendement élevé et à très petite échelle dans l'espace, enregistrant ainsi l'énergie lumineuse dans une structure, " a déclaré le directeur du MIPT Center for Photonics and 2-D Materials, Valentin Volkov, qui a co-écrit l'étude. "De plus, vous pouvez accumuler des polaritons, concevoir potentiellement une batterie ultrafine composée de plusieurs couches atomiques. Il est possible d'utiliser l'effet dans des convertisseurs d'énergie lumineuse similaires aux cellules solaires, mais avec une efficacité plusieurs fois supérieure. Une autre application prometteuse concerne la détection de nano- et bio-objets."