La conversione efficiente della luce in elettricità svolge un ruolo cruciale in molte tecnologie, dalle fotocamere alle celle solari. Costituisce anche un passaggio essenziale nelle applicazioni di comunicazione dei dati, poiché consente di convertire le informazioni trasportate dalla luce in informazioni elettriche che possono essere elaborate in circuiti elettrici. Il grafene è un materiale eccellente per la conversione ultrarapida della luce in segnali elettrici, ma finora non si sapeva quanto velocemente il grafene rispondesse a lampi di luce ultracorti.

I ricercatori ICFO Klaas-Jan Tielrooij, Lukasz Piatkowski, Mathieu Massicotte e Achim Woessner guidati dal Prof. ICFO Frank Koppens e dal Prof. ICREA presso ICFO Niek van Hulst, in collaborazione con gli scienziati del gruppo di ricerca guidato da Pablo Jarillo-Herrero al MIT e il gruppo di ricerca guidato da Jeanie Lau alla UC Riverside, hanno ora dimostrato che un fotorilevatore a base di grafene converte la luce assorbita in una tensione elettrica a una velocità estremamente elevata. Lo studio, dal titolo "Generazione di fotovoltaggio in grafene su una scala temporale di femtosecondi attraverso un efficiente riscaldamento del vettore", è stato recentemente pubblicato su Nanotecnologia della natura .

Il nuovo dispositivo sviluppato dai ricercatori è in grado di convertire la luce in elettricità in meno di 50 femtosecondi (un ventesimo di milionesimo di milionesimo di secondo). Per fare questo, i ricercatori hanno utilizzato una combinazione di eccitazione laser a forma di impulso ultraveloce e lettura elettrica altamente sensibile. Come commenta Klaas-Jan Tielrooij, "l'esperimento ha combinato in modo univoco l'esperienza nella modellazione dell'impulso ultraveloce ottenuta dalla fotonica ultraveloce a singola molecola con l'esperienza nell'elettronica del grafene. Facilitato dalla risposta fototermoelettrica non lineare del grafene, questi elementi hanno consentito l'osservazione dei tempi di risposta del fotorilevamento a femtosecondi".

La creazione ultraveloce di una fototensione nel grafene è possibile grazie all'interazione estremamente rapida ed efficiente tra tutti i portatori di banda di conduzione nel grafene. Questa interazione porta a una rapida creazione di una distribuzione di elettroni con un'elevata temperatura degli elettroni. Così, l'energia assorbita dalla luce viene convertita in modo efficiente e rapido in calore elettronico. Prossimo, il calore dell'elettrone viene convertito in una tensione all'interfaccia di due regioni di grafene con drogaggio diverso. Questo effetto fototermoelettrico risulta avvenire quasi istantaneamente, consentendo così la conversione ultrarapida della luce assorbita in segnali elettrici. Come afferma il prof. van Hulst, "è incredibile come il grafene permetta il rilevamento diretto non lineare di impulsi ultraveloci a femtosecondi (fs)".

I risultati ottenuti dai risultati di questo lavoro, che è stato in parte finanziato dalla CE Graphene Flagship, aprire una nuova strada verso la conversione optoelettronica ultraveloce. Come commenta il prof. Koppens, "I fotorilevatori al grafene continuano a mostrare prestazioni affascinanti per un'ampia gamma di applicazioni".