Dans une nouvelle étude, une équipe de recherche internationale dirigée par l'Université de Vienne a montré que les structures construites autour d'une seule couche de graphène permettent de fortes non-linéarités optiques qui peuvent convertir la lumière. L'équipe y est parvenue en utilisant des rubans d'or de taille nanométrique pour presser la lumière, sous forme de plasmons, en graphène atomiquement mince. Les résultats, qui sont publiés dans Nature Nanotechnologie sont prometteurs pour une nouvelle famille de dispositifs non linéaires accordables ultra-petits.

Au cours des dernières années, un effort concerté a été fait pour développer des dispositifs plasmoniques pour manipuler et transmettre la lumière à travers des dispositifs de taille nanométrique. À la fois, il a été montré que les interactions non linéaires peuvent être grandement améliorées en utilisant des plasmons, qui peut survenir lorsque la lumière interagit avec les électrons d'un matériau. Dans un plasmon, la lumière est liée aux électrons à la surface d'un matériau conducteur, permettant aux plasmons d'être beaucoup plus petits que la lumière qui les a créés à l'origine. Cela peut conduire à des interactions non linéaires extrêmement fortes. Cependant, les plasmons sont généralement créés à la surface des métaux, ce qui les fait se décomposer très rapidement, limitant à la fois la longueur de propagation du plasmon et les interactions non linéaires. Dans ce nouveau travail, les chercheurs montrent que la longue durée de vie des plasmons dans le graphène et la forte non-linéarité de ce matériau peuvent surmonter ces défis.

Dans leur expérience, l'équipe de recherche dirigée par Philip Walther à l'Université de Vienne (Autriche), en collaboration avec des chercheurs de l'Institut des Sciences Photoniques de Barcelone (Espagne), l'Université du Danemark du Sud, l'Université de Montpellier, et le Massachusetts Institute of Technology (États-Unis) a utilisé des piles de matériaux bidimensionnels, appelées hétérostructures, pour construire un dispositif plasmonique non linéaire. Ils ont pris une seule couche atomique de graphène et y ont déposé un réseau de nanorubans métalliques. Les rubans métalliques ont amplifié la lumière entrante dans la couche de graphène, le convertir en plasmons de graphène. Ces plasmons ont ensuite été piégés sous les nanorubans d'or, et produit de la lumière de différentes couleurs grâce à un processus connu sous le nom de génération d'harmoniques. Les scientifiques ont étudié la lumière générée, et a montré que, l'interaction non linéaire entre les plasmons de graphène était cruciale pour décrire la génération d'harmoniques. Selon Irati Alonso Calafell, l'auteur principal de l'article, "nous avons montré que les nanorubans d'or relativement simples peuvent simultanément améliorer la non-linéarité du graphène, exciter les plasmons de graphène, et créer une cavité plasmonique."

Bien que le domaine de la plasmonique du graphène en soit encore à ses balbutiements, les chercheurs sont convaincus que ces résultats pourraient être utilisés pour sonder une nouvelle physique dans les hétérostructures du graphène, et conduire à une variété d'applications. Lee Rozema, l'un des scientifiques travaillant sur le projet, a déclaré "notre équipe à Vienne a déjà proposé que les interactions non linéaires médiées par les plasmons de graphène pourraient être utilisées pour l'informatique quantique, et maintenant nous avons fourni la confirmation expérimentale que ces plasmons peuvent en effet interagir de manière non linéaire. » L'équipe prévoit de continuer à pousser pour des hétérostructures de graphène encore plus efficaces, en expérimentant de nouvelles géométries métalliques et en exploitant différents types d'interactions non linéaires.