Questa è un'illustrazione schematica del modulatore ottico a base di grafene. Uno strato di grafene (rete nera) è posto sopra una guida d'onda in silicio (blu), che viene utilizzato come fibra ottica per guidare la luce. I segnali elettrici vengono inviati dal lato del grafene per alterare la quantità di fotoni che il grafene assorbe. Credito:grafica di Ming Liu, UC Berkeley
(PhysOrg.com) -- Scienziati dell'Università della California, Berkeley, hanno dimostrato una nuova tecnologia per il grafene che potrebbe infrangere gli attuali limiti di velocità nelle comunicazioni digitali.
Il team di ricercatori, guidato dal professore di ingegneria dell'Università di Berkeley Xiang Zhang, costruito un minuscolo dispositivo ottico che utilizza il grafene, uno strato di carbonio cristallizzato dello spessore di un atomo, per accendere e spegnere la luce. Questa capacità di commutazione è la caratteristica fondamentale di un modulatore di rete, che controlla la velocità di trasmissione dei pacchetti di dati. Più velocemente vengono inviati gli impulsi di dati, maggiore è il volume di informazioni che possono essere inviate. I modulatori a base di grafene potrebbero presto consentire ai consumatori di trasmettere in streaming full-length, alta definizione, Film 3D su uno smartphone in pochi secondi, hanno detto i ricercatori.
"Questo è il modulatore ottico più piccolo al mondo, e il modulatore nelle comunicazioni dati è il cuore del controllo della velocità, "disse Zhang, che dirige un Centro di scienza e ingegneria su nanoscala della National Science Foundation (NSF) presso l'UC Berkeley. "Il grafene ci consente di realizzare modulatori incredibilmente compatti e che potenzialmente funzionano a velocità fino a dieci volte superiori a quelle consentite dalla tecnologia attuale. Questa nuova tecnologia migliorerà in modo significativo le nostre capacità di comunicazione ottica ultraveloce e di elaborazione".
In questo ultimo lavoro, descritto nella pubblicazione online avanzata dell'8 maggio della rivista Natura , i ricercatori sono stati in grado di sintonizzare elettricamente il grafene per assorbire la luce nelle lunghezze d'onda utilizzate nella comunicazione dei dati. Questo progresso aggiunge ancora un altro vantaggio al grafene, che ha guadagnato una reputazione come materiale meraviglioso dal 2004 quando è stato estratto per la prima volta dalla grafite, lo stesso elemento nella mina di matita. Questo risultato è valso l'anno scorso agli scienziati dell'Università di Manchester Andre Geim e Konstantin Novoselov il Premio Nobel per la fisica.
Zhang ha lavorato con il collega membro della facoltà Feng Wang, un assistente professore di fisica e capo dell'Ultrafast Nano-Optics Group presso l'UC Berkeley. Sia Zhang che Wang sono scienziati della facoltà della divisione di scienza dei materiali del Lawrence Berkeley National Laboratory.
"L'impatto di questa tecnologia sarà di vasta portata, " ha detto Wang. "Oltre alle operazioni ad alta velocità, i modulatori a base di grafene potrebbero portare ad applicazioni non convenzionali grazie alla flessibilità e alla facilità di integrazione del grafene con diversi tipi di materiali. Il grafene può essere utilizzato anche per modulare nuove gamme di frequenza, come la luce del medio infrarosso, che sono ampiamente utilizzati nel rilevamento molecolare."
Il grafene è il più sottile, materiale cristallino più forte mai conosciuto. Può essere allungato come la gomma, e ha l'ulteriore vantaggio di essere un ottimo conduttore di calore ed elettricità. Quest'ultima qualità del grafene lo rende un materiale particolarmente attraente per l'elettronica.
"Il grafene è compatibile con la tecnologia al silicio ed è molto economico da produrre, " disse Ming Liu, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Zhang e co-autore principale dello studio. "I ricercatori in Corea l'anno scorso ne hanno già prodotto fogli da 30 pollici. Inoltre, è richiesto pochissimo grafene per l'uso come modulatore. La grafite in una matita può fornire abbastanza grafene per fabbricare 1 miliardo di modulatori ottici".
È il comportamento dei fotoni e degli elettroni nel grafene che per primo ha attirato l'attenzione dei ricercatori dell'UC Berkeley.
Viene mostrata un'immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) che ingrandisce le strutture chiave del modulatore ottico a base di grafene. (I colori sono stati aggiunti per migliorare il contrasto). Gli elettrodi di oro (Au) e platino (Pt) vengono utilizzati per applicare cariche elettriche al foglio di grafene, mostrato in blu, posto sopra la guida d'onda di silicio (Si), mostrato in rosso. La tensione può controllare la trasparenza del grafene, trasformando efficacemente la configurazione in un modulatore ottico in grado di accendere e spegnere la luce. (immagine di Ming Liu)
I ricercatori hanno scoperto che l'energia degli elettroni, indicato come il suo livello di Fermi, può essere facilmente modificato a seconda della tensione applicata al materiale. Il livello di Fermi del grafene a sua volta determina se la luce viene assorbita o meno.
Quando viene applicata una tensione negativa sufficiente, gli elettroni vengono estratti dal grafene e non sono più disponibili per assorbire i fotoni. La luce è "accesa" perché il grafene diventa totalmente trasparente al passaggio dei fotoni.
Il grafene è trasparente anche a determinate tensioni positive perché, in quella situazione, gli elettroni si impacchettano così strettamente che non possono assorbire i fotoni.
I ricercatori hanno trovato un punto debole nel mezzo in cui viene applicata una tensione sufficiente in modo che gli elettroni possano impedire il passaggio dei fotoni, spegnere efficacemente la luce "off".
"Se il grafene fosse un corridoio, e gli elettroni erano persone, Potresti dire che, quando la sala è vuota, non c'è nessuno in giro per fermare i fotoni, " ha detto Xiaobo Yin, co-autore principale dell'articolo su Nature e ricercatore nel laboratorio di Zhang. "All'altro estremo, quando la sala è troppo affollata, le persone non possono muoversi e sono inefficaci nel bloccare i fotoni. È tra questi due scenari che gli elettroni possono interagire e assorbire i fotoni, e il grafene diventa opaco."
Nel loro esperimento, i ricercatori hanno stratificato il grafene sopra una guida d'onda di silicio per fabbricare modulatori ottici. I ricercatori sono stati in grado di raggiungere una velocità di modulazione di 1 gigahertz, ma hanno notato che la velocità potrebbe teoricamente raggiungere fino a 500 gigahertz per un singolo modulatore.
Mentre i componenti basati sull'ottica presentano molti vantaggi rispetto a quelli che utilizzano l'elettricità, compresa la capacità di trasportare più rapidamente pacchetti di dati più densi, i tentativi di creare interconnessioni ottiche che si adattassero perfettamente a un chip di computer sono stati ostacolati dalla quantità relativamente grande di spazio richiesta nella fotonica.
Le onde luminose sono meno agili in spazi ristretti rispetto alle loro controparti elettriche, i ricercatori hanno notato, quindi le applicazioni basate sui fotoni sono state principalmente limitate a dispositivi su larga scala, come le linee in fibra ottica.
"Gli elettroni possono facilmente compiere una svolta a forma di L perché le lunghezze d'onda in cui operano sono piccole, " ha detto Zhang. "Le lunghezze d'onda della luce sono generalmente più grandi, quindi hanno bisogno di più spazio per manovrare. È come girare a lungo, allunga la limousine invece di una moto dietro un angolo. Ecco perché l'ottica richiede specchi ingombranti per controllarne i movimenti. Ridimensionare il dispositivo ottico lo rende anche più veloce perché il singolo strato atomico di grafene può ridurre significativamente la capacità - la capacità di trattenere una carica elettrica - che spesso ostacola la velocità del dispositivo".
I modulatori a base di grafene potrebbero superare la barriera spaziale dei dispositivi ottici, hanno detto i ricercatori. Hanno ridotto con successo un modulatore ottico a base di grafene fino a un relativamente piccolo 25 micron quadrati, una dimensione circa 400 volte più piccola di un capello umano. L'ingombro di un tipico modulatore commerciale può arrivare a pochi millimetri quadrati.
Anche di dimensioni così ridotte, il grafene offre un pugno nella capacità di larghezza di banda. Il grafene può assorbire un ampio spettro di luce, che vanno oltre migliaia di nanometri dalle lunghezze d'onda dell'ultravioletto all'infrarosso. Ciò consente al grafene di trasportare più dati rispetto agli attuali modulatori all'avanguardia, che operano con una larghezza di banda fino a 10 nanometri, hanno detto i ricercatori.
"I modulatori a base di grafene non solo offrono un aumento della velocità di modulazione, possono abilitare maggiori quantità di dati racchiusi in ogni impulso, " ha detto Zhang. "Invece di banda larga, avremo "banda estrema". Quello che vediamo qui e andare avanti con i modulatori a base di grafene sono enormi miglioramenti, non solo nell'elettronica di consumo, ma in ogni campo ormai limitato dalla velocità di trasmissione dei dati, compresa la bioinformatica e le previsioni del tempo. Speriamo di vedere applicazioni industriali di questo nuovo dispositivo nei prossimi anni".
