Les porteurs de charge de graphène se trouvant sur différents niveaux énergétiques représentés par les cônes de Dirac, qui, selon le nombre de porteurs de charge, sont occupés jusqu'au point de neutralité (niveau bleu sur le cône de gauche) ou bien dans la bande de conduction (niveau bleu sur le cône droit). Dans les deux cas, les porteurs de charge photoexcités se détendent avec une dynamique plus rapide (côté gauche) ou plus lente (côté droit). Crédit :Politecnico di Milano - CNR
Le graphène est le matériau le plus fin jamais produit, avec l'épaisseur d'une seule couche atomique. Plus mince qu'un milliardième de mètre, elle est capable d'absorber efficacement la lumière du visible à l'infrarouge grâce à la photoexcitation de ses porteurs de charge. Après absorption de la lumière, ses porteurs de charge photoexcités se refroidissent jusqu'à l'état d'équilibre initial en quelques picosecondes, correspondant à un millionième de millionième de seconde. La vitesse remarquable de ce processus de relaxation rend le graphène particulièrement prometteur pour un certain nombre d'applications technologiques, notamment les détecteurs de lumière, les sources et les modulateurs.
Une étude récente publiée dans ACS Nano a montré que le temps de relaxation des porteurs de charge du graphène peut être significativement modifié en appliquant un champ électrique externe. La recherche a été conçue dans le cadre d'une collaboration internationale entre le CNR-IFN, Politecnico di Milano, l'Université de Pise, le Graphene Center de Cambridge (Royaume-Uni) et l'ICN2 de Barcelone (Espagne).
"Le changement du temps de relaxation des porteurs de charge dans le graphène que nous avons observé, démontre un niveau de contrôle sans précédent sur la réponse optique d'un cristal et permet d'obtenir une grande variété de comportements en utilisant un seul matériau" explique Eva Pogna, chercheuse de CNR-IFN, premier auteur de l'ouvrage.
Ces travaux ouvrent la voie au développement de dispositifs qui exploitent le contrôle du temps de relaxation des porteurs de charge pour supporter de nouvelles fonctionnalités. Par exemple, si le graphène est utilisé comme absorbant saturable dans une cavité laser pour générer des impulsions lumineuses ultracourtes, en modifiant le temps de relaxation des porteurs de charge, nous pouvons contrôler la durée des impulsions de sortie.
"Le dispositif spécifique que nous avons utilisé pour étudier le graphène s'est avéré crucial pour observer la forte accordabilité de ses propriétés optiques avec le champ électrique externe, permettant de modifier le nombre de porteurs de charge sur une large gamme en exploitant le déclenchement de liquide ionique, qui est une technologie de pointe introduite pour étudier les supraconducteurs" explique Andrea Ferrari, directeur du Graphene Center à Cambridge.
Le dispositif à base de graphène a été étudié par spectroscopie ultrarapide, ce qui a permis de suivre la variation du temps de relaxation des porteurs de charge.
"Ce travail représente la dernière étape d'une collaboration de recherche de longue date consacrée à l'étude de la dynamique des porteurs ultrarapides dans le graphène, visant à explorer le grand potentiel de ce matériau fascinant" comme l'a ajouté Klaas-Jan Tielrooij, responsable de l'Ultrafast Dynamics dans le groupe Nanoscale Systems à l'ICN2.
"Cette découverte est d'un grand intérêt pour un certain nombre d'applications technologiques, allant de la photonique, pour les sources laser pulsées ou les limiteurs optiques qui empêchent les composants optiques d'endommager, à la télécommunication, pour les détecteurs et modulateurs ultrarapides", conclut Giulio Cerullo, professeur au Département de physique de Politecnico de Milan. Des chercheurs découvrent le mécanisme de détection du champ électrique dans les capteurs de graphène à micro-échelle
