De la radio à la télévision en passant par Internet, les transmissions de télécommunications sont simplement des informations transportées par des ondes lumineuses et converties en signaux électriques.

Les fibres optiques à base de silicium sont actuellement les meilleures structures pour le haut débit, transmissions longue distance, mais le graphène, un tout carbone, matériau ultra-mince et adaptable-pourrait améliorer encore plus les performances.

Dans une étude publiée le 16 avril dans ACS Photonique , Des chercheurs de l'Université du Wisconsin-Madison ont fabriqué du graphène dans les plus petites structures de ruban à ce jour en utilisant une méthode qui simplifie la mise à l'échelle. Dans les tests avec ces petits rubans, les scientifiques ont découvert qu'ils se rapprochaient des propriétés dont ils avaient besoin pour faire du graphène une utilité dans les équipements de télécommunications.

"Des recherches antérieures suggéraient que pour être viables pour les technologies de télécommunication, le graphène devrait être structuré de manière prohibitive sur de grandes surfaces, (qui est) un cauchemar de fabrication, " dit Joël Siegel, un étudiant diplômé de l'UW-Madison dans le groupe du professeur de physique Victor Brar et co-auteur principal de l'étude. « Dans notre étude, nous avons créé une technique de fabrication évolutive pour fabriquer les plus petites structures de ruban de graphène à ce jour et avons constaté qu'avec de modestes réductions supplémentaires de la largeur du ruban, nous pouvons commencer à atteindre la portée des télécommunications."

Le graphène est salué comme un matériau miracle pour des technologies telles que les télécommunications ou les cellules solaires, car il est facile à travailler, est relativement bon marché, et possède des propriétés physiques uniques telles qu'être à la fois un isolant et un conducteur d'électricité.

S'il est modifié pour interagir avec une lumière d'énergie plus élevée, le graphène pourrait être utilisé pour moduler les signaux de télécommunications à des vitesses ultra-rapides. Par exemple, il pourrait être utilisé pour bloquer les fréquences de communication indésirables.

Une façon d'améliorer les performances du graphène est de le couper en microscopiques, structures de ruban à l'échelle nanométrique, qui agissent comme de minuscules antennes qui interagissent avec la lumière. Plus l'antenne est petite, les énergies plus élevées de la lumière avec lesquelles il interagit. Il peut également être "réglé" pour interagir avec plusieurs énergies lumineuses lorsqu'un champ électrique est appliqué, étirant davantage ses performances.

Les chercheurs, y compris des équipes dirigées par les professeurs de science des matériaux et d'ingénierie UW-Madison Michael Arnold et Padma Gopalan, voulait d'abord faire un dispositif de rubans de graphène qui étaient plus étroits que tout ce qui a été fait jusqu'à présent. En construisant des polymères en forme de ruban sur le graphène, puis en gravant une partie du matériau environnant, ils se sont retrouvés avec des dessins précis, rubans incroyablement minces de graphène.

"C'est très utile parce qu'il n'y a pas de bonnes techniques de fabrication pour arriver à la taille de fonctionnalité que nous avons faite, 12 nanomètres de large sur une grande surface, " dit Siegel. " Et il n'y a pas de différence entre les motifs à l'échelle centimétrique avec lesquels nous travaillons ici et les plaquettes géantes de six pouces utiles pour les applications industrielles. C'est très facile à faire évoluer."

Avec les appareils fabriqués, les chercheurs ont ensuite pu tester comment les rubans interagissaient avec la lumière et dans quelle mesure ils pouvaient contrôler cette interaction.

En collaboration avec le groupe du professeur de génie électrique et informatique de l'UW-Madison, Mikhail Kats, ils ont fait briller différentes longueurs d'onde de lumière infrarouge dans les structures et ont identifié la longueur d'onde où les rubans et la lumière interagissaient le plus fortement, connue sous le nom de longueur d'onde de résonance.

Ils ont constaté que lorsque la largeur du ruban diminue, il en va de même pour la longueur d'onde de résonance de la lumière. Des longueurs d'onde plus basses signifient des énergies plus élevées, et leurs appareils ont interagi avec les énergies les plus élevées mesurées à ce jour pour le graphène structuré.

Les chercheurs ont également pu régler les rubans en augmentant l'intensité du champ électrique appliqué aux structures, réduisant davantage la longueur d'onde de résonance des structures. Les chercheurs ont déterminé qu'une structure a la flexibilité attendue nécessaire pour les applications technologiques qu'ils visaient à réaliser.

Ils ont ensuite comparé leurs données expérimentales aux comportements prédits du graphène structuré sur trois largeurs de ruban différentes et trois intensités de champ électrique. Les rubans plus larges créés par les chercheurs correspondaient étroitement aux comportements prédits.

Mais pour les rubans plus étroits, ils ont vu un soi-disant blueshift, ou un passage à des énergies plus élevées que prévu. Le décalage vers le bleu peut s'expliquer par le fait que les électrons dans les rubans plus petits seraient plus susceptibles d'interagir les uns avec les autres et de se repousser.

"Le décalage vers le bleu que nous avons observé indique que les longueurs d'onde des télécommunications peuvent être atteintes avec des structures beaucoup plus grandes que prévu - environ huit à dix nanomètres - ce qui n'est que légèrement plus petit que les structures de 12 nanomètres que nous avons faites, " dit Siegel.

Avec l'objectif de 8 à 10 nanomètres beaucoup plus proche que prévu, les chercheurs essaient maintenant de peaufiner leurs méthodes de fabrication pour rendre les rubans encore plus étroits. Ces nouvelles nanostructures de graphène permettront également d'explorer la physique fondamentale des interactions lumière-matière, recherche que Siegel et ses collègues poursuivent actuellement.