I semiconduttori hanno rivoluzionato l'informatica grazie al loro controllo efficiente sul flusso di correnti elettriche su un singolo chip, che ha portato a dispositivi come il transistor. Lavorando verso una funzionalità sintonizzabile simile per la luce, ricercatori dell'A*STAR Institute of High Performance Computing (IHPC), Singapore, hanno mostrato come il grafene potrebbe essere utilizzato per controllare la luce su scala nanometrica, avanzando il concetto di circuiti fotonici su chip.

Grafene, che è costituito da un singolo strato di atomi di carbonio, ha eccellenti proprietà elettroniche; alcuni di questi sono utili anche nelle applicazioni fotoniche. Generalmente, solo i metalli sono in grado di confinare la luce nell'ordine di pochi nanometri, che è molto più piccola della lunghezza d'onda della luce. Sulla superficie dei metalli, oscillazioni collettive di elettroni, i cosiddetti "plasmoni di superficie", agiscono come potenti antenne che confinano la luce in spazi molto piccoli. Grafene, con la sua elevata conducibilità elettrica, mostra un comportamento simile ai metalli, quindi può essere utilizzato anche per applicazioni basate su plasmoni, spiega Choon How Gan di IHPC, che ha condotto la ricerca.

Gan e collaboratori hanno studiato teoricamente e computazionalmente come i plasmoni di superficie viaggiano lungo fogli di grafene. Anche se il grafene è un conduttore più povero di un metallo, quindi le perdite di propagazione dei plasmoni sono maggiori, ha diversi vantaggi chiave, dice il membro del team Hong Son Chu. "Il vantaggio chiave che rende il grafene un'eccellente piattaforma per i dispositivi plasmonici è la sua grande sintonizzabilità che non può essere vista nei soliti metalli nobili, " spiega. "Questa sintonizzabilità può essere ottenuta in diversi modi, utilizzando campi elettrici o magnetici, trigger ottici e temperatura."

I calcoli del team hanno indicato che i plasmoni di superficie che si propagano lungo un foglio di grafene sarebbero molto più confinati in un piccolo spazio di quanto non si muoverebbero lungo una superficie dorata (vedi immagine). Però, il team ha anche dimostrato che i plasmoni di superficie viaggeranno molto meglio tra due fogli di grafene messi a stretto contatto. Per di più, regolando i parametri di progettazione come la separazione tra i fogli, così come la loro conduttività elettrica, è possibile un controllo molto migliore sulle proprietà dei plasmoni di superficie.

Nel futuro, Gan e i suoi collaboratori hanno in programma di indagare su queste proprietà per le applicazioni. "Esploreremo le potenzialità dei dispositivi plasmonici al grafene anche per il regime dei terahertz e del medio infrarosso, " spiega. "In questa gamma spettrale, le strutture plasmoniche di grafene potrebbero essere promettenti per applicazioni come il rilevamento molecolare, come fotorivelatori, o per dispositivi ottici in grado di commutare e modulare la luce."