Professor Konstantin Arutyunov dell'HSE Tikhonov Moscow Institute of Electronics and Mathematics (MIEM HSE), insieme a ricercatori cinesi, ha sviluppato un risonatore meccanico a base di grafene, in cui emissione coerente di quanti di energia sonora, o fononi, è stato indotto. Tali dispositivi, chiamati laser fononici, hanno un ampio potenziale di applicazione nell'elaborazione delle informazioni, così come il rilevamento classico e quantistico dei materiali. Lo studio è pubblicato sulla rivista Ottica Express .

Usando un'analogia con i fotoni, quanti dello spettro elettromagnetico, ci sono anche particelle di energia sonora, fononi. Infatti, questi sono oggetti introdotti artificialmente in fisica:quasi-particelle, che corrispondono alle vibrazioni del reticolo cristallino della materia.

Alcune sostanze, quando irradiato, emettono fotoni della stessa lunghezza d'onda, fase, e polarizzazione. Questo processo, chiamata emissione stimolata, fu predetto da Albert Einstein oltre un secolo fa ed è la base del dispositivo che tutti conosciamo:il laser. I primi laser furono costruiti circa sessant'anni fa, e si sono saldamente radicati nelle nostre vite in vari campi.

Un processo simile, che comportano l'emissione di fononi "identici", è alla base di un dispositivo chiamato, Per analogia, un laser fononico, o saser. Infatti, è stato previsto contemporaneamente ai laser, ma solo poche realizzazioni sperimentali sono state sviluppate in un lungo periodo di tempo, e nessuno di loro è stato ampiamente utilizzato nel settore.

Ioni di magnesio, semiconduttori, sistemi compositi con microcavità, risonatori elettromeccanici, nanoparticelle, e molte altre sostanze e sistemi sono stati utilizzati come mezzi attivi per i laser a fononi nell'ultimo decennio. A differenza degli studi precedenti, il presente studio ha utilizzato il grafene per creare eccitazioni acustiche coerenti. A causa delle proprietà uniche del grafene, tali risonatori possono essere potenzialmente ampiamente utilizzati.

Il risonatore al grafene è stato prodotto mediante microlitografia:un film polimerico fotosensibile viene depositato su un substrato di silicio. Usando la luce ultravioletta, una certa struttura è 'disegnata' sul substrato, che successivamente consente la formazione di un sistema ripetitivo di microcavità mediante trattamento al plasma. Il substrato trattato è ricoperto da uno strato di grafene, e questo sistema di 'tamburi' si comporta come un risonatore, cioè amplifica le vibrazioni esterne se vengono generate con una certa frequenza.

Se un tale "tamburo" viene irradiato con luce laser a una lunghezza d'onda specifica, i fotoni vengono riflessi ripetutamente tra il supporto di silicio e il grafene, formando così cavità ottiche dove si producono vibrazioni meccaniche della frequenza appropriata.

"Sperimentalmente, abbiamo esaminato una nanostruttura, che è una membrana fissa costituita da uno strato monoatomico di carbonio, o un grafene. Vibrazioni di atomi, o fononi, sono stati attivati ​​in esso attraverso l'esposizione a radiazioni ottiche esterne, " dice Arutyunov. "La ricerca dovrebbe continuare, poiché è di notevole interesse sia per la fisica degli oggetti ultra piccoli che ha il potenziale per creare una nuova generazione di sensori e trasduttori optomeccanici quantistici".