Grafene:la luce fa fluire gli elettroni
Il nuovo materiale grafene rende possibile un'elettronica più veloce. Gli scienziati della Facoltà di ingegneria elettrica e tecnologia dell'informazione dell'Università tecnologica di Vienna (TU Vienna) hanno sviluppato rilevatori di luce fatti di grafene e ne hanno analizzato le sorprendenti proprietà.
Grandi speranze sono riposte in questo nuovo materiale:il grafene, una struttura in carbonio a nido d'ape, costituito da un solo strato di atomi, mostra proprietà notevoli. Nel 2010, il Premio Nobel è stato assegnato per la scoperta del grafene e del suo comportamento. All'Istituto di Fotonica della TU Vienna, le proprietà elettroniche e ottiche del grafene sono al centro dell'interesse. Gli scienziati viennesi potrebbero ora dimostrare con quanta velocità il grafene converte gli impulsi luminosi in segnali elettrici. Ciò potrebbe migliorare notevolmente lo scambio di dati tra computer.
Conversione della luce in segnali elettrici
Quando i dati vengono trasmessi tramite impulsi luminosi (ad esempio nei cavi in fibra ottica), gli impulsi devono essere riconvertiti in segnali elettrici, che possono essere elaborati da un computer. Questa conversione della luce in corrente elettrica è possibile grazie all'effetto fotoelettrico, che è stato originariamente spiegato da Albert Einstein. In alcuni materiali, la luce può far sì che gli elettroni lascino le loro posizioni e viaggino liberamente attraverso il materiale, per cui avviene la corrente elettrica. “I rilevatori di luce che convertono la luce in segnali elettronici esistono da molto tempo. Ma quando sono fatti di grafene, reagiscono più velocemente di quanto potrebbe fare la maggior parte degli altri materiali”, spiega Alexander Urich. Ha studiato le proprietà ottiche ed elettroniche del grafene insieme a Thomas Müller e al professor Karl Unterrainer alla TU Vienna.
Alexander Urich e Thomas Müller con un chip contenente grafene
Analisi con impulsi laser ultracorti
Gli scienziati avevano già dimostrato l'anno scorso che il grafene può convertire la luce in segnali elettronici con una velocità notevole. Però, non è stato possibile determinare il tempo di reazione del materiale:l'effetto fotoelettrico nel grafene è così rapido che non può essere misurato con i normali metodi di misurazione. Ma ora, sofisticati trucchi tecnologici potrebbero far luce sulle proprietà del grafene. Alla TU Vienna, impulsi laser sono stati sparati al fotorilevatore di grafene in rapida successione, e la foto-corrente risultante è stata misurata. Se il ritardo tra gli impulsi laser viene modificato, è possibile determinare la frequenza massima del rilevatore. "Utilizzando questo metodo potremmo dimostrare che i nostri rilevatori possono essere utilizzati fino a una frequenza di 262 GHz", Thomas Müller (TU Vienna) afferma. Ciò corrisponde a un limite superiore teorico per il trasferimento di dati utilizzando fotorilevatori al grafene di oltre 30 gigabyte al secondo. Non è ancora stato stabilito fino a che punto ciò sia tecnicamente fattibile, ma questo risultato mostra chiaramente la notevole capacità del grafene e il suo potenziale per applicazioni optoelettroniche.
Segnali veloci per elettronica veloce
La ragione principale per cui i fotorivelatori di grafene possono funzionare a frequenze così elevate è la breve durata dei portatori di carica nel grafene. Gli elettroni che vengono rimossi dalla loro posizione fissa e contribuiscono alla corrente elettrica si depositano in un'altra posizione fissa dopo pochi picosecondi (milionesimi di miliardesimo di secondo, 10 -12 secondi). Non appena ciò accade, il fotorivelatore al grafene è pronto per un altro segnale luminoso che libera nuovi elettroni, creando il segnale elettrico successivo.
Il rapido tempo di reazione del grafene è un altro elemento nell'elenco delle notevoli proprietà di questo materiale. Nel grafene, i portatori di carica possono viaggiare molto lontano senza essere disturbati. Può assorbire la luce in una vasta gamma spettrale, dall'infrarosso alla luce visibile – a differenza dei semiconduttori standard, che può assorbire solo una piccola parte dello spettro. In aggiunta a questo, il grafene può condurre molto bene il calore e ha un carico di rottura eccezionalmente elevato.
