Fogli di carbonio dello spessore di un atomo, noti come grafene, hanno una serie di proprietà elettroniche che gli scienziati stanno studiando per un potenziale utilizzo in nuovi dispositivi. Anche le proprietà ottiche del grafene stanno attirando l'attenzione, che potrebbe aumentare ulteriormente a seguito della ricerca dell'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering (IMRE). Bing Wang dell'IMRE ei suoi collaboratori hanno dimostrato che le interazioni dei singoli fogli di grafene in alcuni array consentono un controllo efficiente della luce su scala nanometrica.

La luce schiacciata tra i singoli fogli di grafene può propagarsi in modo più efficiente rispetto a un singolo foglio. Wang osserva che questo potrebbe avere importanti applicazioni nella nanofocalizzazione ottica e nell'imaging con superlenti di oggetti su nanoscala. Negli strumenti ottici convenzionali, la luce può essere controllata solo da strutture che hanno all'incirca la stessa scala della sua lunghezza d'onda, che per la luce ottica è molto maggiore dello spessore del grafene. Utilizzando i plasmoni di superficie, che sono movimenti collettivi di elettroni sulla superficie di conduttori elettrici come il grafene, gli scienziati possono concentrare la luce sulla dimensione di pochi nanometri.

Wang e i suoi collaboratori hanno calcolato la propagazione teorica dei plasmoni di superficie in strutture costituite da fogli monoatomici di grafene, separato da un materiale isolante. Per piccole separazioni di circa 20 nanometri, hanno scoperto che i plasmoni di superficie nei fogli di grafene interagivano in modo tale da diventare "accoppiati" (vedi immagine). Questo accoppiamento teorico era molto forte, a differenza di quello che si trova in altri materiali, e ha fortemente influenzato la propagazione della luce tra i fogli di grafene.

I ricercatori hanno scoperto, ad esempio, che le perdite ottiche fossero ridotte, così la luce potrebbe propagarsi per distanze maggiori. Inoltre, sotto un particolare angolo di arrivo della luce, lo studio prevedeva che la rifrazione del fascio in ingresso sarebbe andata in direzione opposta a quella che si osserva normalmente. Una rifrazione negativa così insolita può portare a effetti notevoli come il superlensing, che consente l'imaging con una risoluzione quasi illimitata.

Poiché il grafene è un semiconduttore e non un metallo, offre molte più possibilità rispetto alla maggior parte degli altri dispositivi plasmonici, commenta Jing Hua Teng dell'IMRE, che ha condotto la ricerca. "Questi array di fogli di grafene possono portare a dispositivi controllabili dinamicamente, grazie alla più facile sintonizzazione delle proprietà del grafene attraverso stimoli esterni come le tensioni elettriche." Il grafene consente anche un efficiente accoppiamento dei plasmoni con altri oggetti vicini, come le molecole che vengono adsorbite sulla sua superficie. Teng afferma quindi che il prossimo passo è esplorare ulteriormente l'interessante fisica nelle strutture degli array di grafene e esaminare le loro applicazioni immediate.