Il grafene ha creato grandi aspettative, come un forte, ultra sottile, materiale bidimensionale che potrebbe anche essere la base per nuovi componenti nell'informatica. C'è quindi un enorme bisogno di caratterizzazione dei dispositivi al grafene. Questo può essere fatto usando la spettroscopia Raman. La luce laser viene inviata al campione di materiale, e fotoni sparsi ci raccontano le rotazioni e le vibrazioni delle molecole all'interno, e quindi sulla struttura cristallina. In media, solo circa 1 su 10 milioni di fotoni viene disperso in questo modo. Ciò non solo rende difficile rilevare le informazioni corrette, è anche molto lento:potrebbe volerci mezzo secondo per visualizzare un singolo pixel. La domanda è se Raman rimane ancora l'opzione migliore, o se ci sono alternative migliori. I ricercatori Sachin Nair e Jun Gao considerano la spettroscopia Raman come punto di partenza, ma riescono a migliorare drasticamente la velocità:non cambiando la tecnica stessa, ma aggiungendo un algoritmo.

Riduzione del rumore

Questo algoritmo non è sconosciuto nel mondo dell'elaborazione dei segnali e si chiama Principal Component Analysis. Viene utilizzato per migliorare il rapporto segnale-rumore. La PCA determina le caratteristiche del rumore e quelle del segnale 'reale'. Più grande è il set di dati, più affidabile è questo riconoscimento, e più chiaro è il segnale effettivo che può essere distinto. A parte quello, i moderni strumenti Raman hanno un rivelatore chiamato dispositivo ad accoppiamento di carica moltiplicatore di elettroni (EMCCD) che migliora il rapporto segnale-rumore. Il risultato netto di questo lavoro è che l'elaborazione di un pixel non richiede mezzo secondo, ma solo 10 millisecondi o meno. La mappatura di un singolo campione non richiede più ore. Una caratteristica importante per i materiali vulnerabili come l'ossido di grafene è che l'intensità del laser può essere ridotta di due o tre ordini di grandezza. Questi sono importanti passi avanti per ottenere una rapida presa sulle proprietà dei materiali.

Multiuso

Fatta eccezione per il grafene, la tecnica Raman migliorata può essere utilizzata anche per altri materiali bidimensionali come il germanene, silicio, bisolfuro di molibdeno, disolfuro di tungsteno e nitruro di boro. L'uso dell'algoritmo non è limitato alla spettroscopia Raman; anche tecniche come la microscopia a forza atomica e altre tecniche iperspettrali potrebbero trarne vantaggio.

La ricerca è stata svolta nel gruppo di Fisica dei Fluidi Complessi del Prof Frieder Mugele, parte dell'Istituto MESA+ di UT. I ricercatori hanno collaborato con il gruppo Medical Cell BioPhysics e il gruppo Physics of Interfaces and Nanomaterials, anche dell'Università di Twente.