Un team di ricercatori ha sviluppato un dispositivo che utilizza il materiale grafene per rilevare la luce nel medio infrarosso e convertirla in modo efficiente in segnale elettrico a temperatura ambiente. È una svolta che potrebbe portare a sistemi di comunicazione migliori, termocamere e altre tecnologie.

Pubblicato in Materiali della natura , lo studio è una collaborazione tra i laboratori di Fengnian Xia, Barton L. Weller Professore Associato in Ingegneria e Scienza e F. Javier Garcia de Abajo dell'Istituto di Scienze Fotoniche (ICFO), Spagna.

La radiazione nel medio infrarosso da 8 a 14 micrometri è estremamente utile nell'imaging termico e nel rivelare informazioni spettroscopiche specifiche molecolari. Inoltre, tale radiazione può propagarsi nell'aria senza perdite significative, indicando il suo enorme potenziale nelle comunicazioni nello spazio libero e nel telerilevamento. Però, i rivelatori a infrarossi medi a temperatura ambiente convenzionali in genere sono molto lenti a causa della grande capacità termica, portando a una costante di tempo lungo per la dissipazione del calore.

Il dispositivo dimostrato in questo studio sfrutta le proprietà uniche del materiale altamente conduttivo, grafene atomicamente sottile, che è un singolo strato di atomi di carbonio, e il suo plasmone, un quanto delle sue oscillazioni elettroniche collettive.

"Il grafene è un tipo di materiale che può convertire la luce del medio infrarosso in plasmoni e successivamente i plasmoni possono convertirsi in calore, " disse Qiushi Guo, un dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Xia e primo autore dello studio. "Ciò che è veramente unico nel grafene è che l'aumento della temperatura degli elettroni causato dal decadimento del plasmone è molto più alto di quello di altri materiali"

La resistenza del grafene è molto insensibile alla temperatura a temperatura ambiente, di conseguenza, è difficile rilevare elettricamente la luce nel medio infrarosso tranne che a temperature estremamente basse, il che significa che non può essere integrato in dispositivi utilizzabili. A quello scopo, in questo lavoro i ricercatori hanno sviluppato un nuovo dispositivo che presenta risonatori plasmonici a disco di grafene collegati da nanonastri quasi unidimensionali. Può rilevare efficacemente la luce del medio infrarosso a temperatura ambiente.

"Il nostro dispositivo ha nanostrutture artificiali che convertono la luce in plasmoni, e successivamente in calore elettronico, " Guo ha detto. "La sua resistenza è anche molto sensibile all'aumento della temperatura. A differenza di quello nel foglio di grafene, in sottili nanonastri di grafene, il trasporto degli elettroni dipende fortemente dall'energia termica dell'elettrone."

Cosa c'è di più, Guo ha detto, è che il dispositivo risponde molto prontamente alle radiazioni del medio infrarosso. "I sensori termici a temperatura ambiente esistenti in generale hanno una grande capacità termica e strutture di isolamento termico ben progettate. Di solito impiegano millisecondi per riscaldarsi. Ma per il grafene, può essere super veloce:un nanosecondo, o solo 1 miliardesimo di secondo." Ciò rende il rivelatore di grafene altamente adatto per applicazioni di comunicazione nello spazio libero ad alta velocità nel medio infrarosso, che è oltre la portata dei microbolometri convenzionali operanti a temperatura ambiente.

Il dispositivo è semplice e scalabile. Sorprendentemente, l'ingombro del dispositivo può essere anche inferiore alla lunghezza d'onda della luce. "Offre molte nuove opportunità nella fotonica nel medio infrarosso, " ha detto Xia. "Costruire una fotocamera a medio infrarosso ad alta risoluzione con pixel di lunghezza d'onda inferiore, Per esempio, o da integrare su circuiti integrati fotonici per abilitare gli spettrometri nel medio infrarosso su un singolo chip."