I ricercatori hanno trovato un modo per accoppiare le proprietà di diversi materiali bidimensionali per fornire un grado eccezionale di controllo sulle onde luminose. Dicono che questo abbia il potenziale per portare a nuovi tipi di rilevamento della luce, sistemi di gestione termica, e dispositivi di imaging ad alta risoluzione.

Le nuove scoperte, che utilizzano uno strato di grafene dello spessore di un atomo depositato sopra uno strato 2-D simile di un materiale chiamato nitruro di boro esagonale (hBN), sono pubblicate sulla rivista Nano lettere . Il lavoro è co-autore del professore associato di ingegneria meccanica del MIT Nicholas Fang e dello studente laureato Anshuman Kumar, e i loro coautori presso l'IBM T.J. Centro di ricerca Watson, Politecnico di Hong Kong, e l'Università del Minnesota.

Sebbene i due materiali siano strutturalmente simili, entrambi composti da matrici esagonali di atomi che formano fogli bidimensionali, ciascuno di essi interagisce con la luce in modo abbastanza diverso. Ma i ricercatori hanno scoperto che queste interazioni possono essere complementari, e possono accoppiarsi in modi che consentono un grande controllo sul comportamento della luce.

Il materiale ibrido blocca la luce quando viene applicata una particolare tensione al grafene, pur consentendo un tipo speciale di emissione e propagazione, chiamato "iperbolicità, " quando viene applicata una tensione diversa, un fenomeno mai visto prima nei sistemi ottici, dice Fang. Una delle conseguenze di questo comportamento insolito è che un foglio di materiale estremamente sottile può interagire fortemente con la luce, permettendo ai raggi di essere guidati, incanalato, e controllato da tensioni applicate al foglio.

"Questo rappresenta una nuova opportunità per inviare e ricevere luce in uno spazio molto ristretto, "Fang dice, e potrebbe portare a "materiale ottico unico che ha un grande potenziale per le interconnessioni ottiche". Molti ricercatori vedono una migliore interconnessione di componenti ottici ed elettronici come un percorso verso sistemi di calcolo e di imaging più efficienti.

L'interazione della luce con il grafene produce particelle chiamate plasmoni, mentre la luce che interagisce con hBN produce fononi. Fang e i suoi colleghi hanno scoperto che quando i materiali sono combinati in un certo modo, i plasmoni e i fononi possono accoppiarsi, producendo una forte risonanza.

Le proprietà del grafene consentono un controllo preciso della luce, mentre l'hBN fornisce un confinamento e una guida molto forti della luce. La combinazione dei due permette di creare nuovi "metamateriali" che sposano i vantaggi di entrambi, dicono i ricercatori.

Fedone Avouris, un ricercatore presso IBM e coautore del documento, dice, "La combinazione di questi due materiali fornisce un sistema unico che consente la manipolazione dei processi ottici".

I materiali combinati creano un sistema sintonizzato che può essere regolato per consentire la propagazione della luce solo di determinate lunghezze d'onda o direzioni specifiche, dicono. "Possiamo iniziare a selezionare selettivamente alcune frequenze [da lasciar passare], e rifiutarne alcuni, " dice Kumar.

Queste proprietà dovrebbero consentire, Zanna dice, per creare minuscole guide d'onda ottiche, di circa 20 nanometri, la stessa gamma di dimensioni delle caratteristiche più piccole che ora possono essere prodotte nei microchip. Ciò potrebbe portare a chip che combinano componenti ottici ed elettronici in un unico dispositivo, con perdite di gran lunga inferiori rispetto a quando tali dispositivi sono realizzati separatamente e poi interconnessi, dicono.

Co-autore Tony Low, un ricercatore presso IBM e l'Università del Minnesota, dice, "Il nostro lavoro apre la strada all'utilizzo di eterostrutture di materiali 2-D per la progettazione di nuove proprietà ottiche su richiesta".

Un'altra possibile applicazione, Zanna dice, deriva dalla capacità di accendere e spegnere un raggio di luce sulla superficie del materiale; perché il materiale funziona naturalmente a lunghezze d'onda del vicino infrarosso, questo potrebbe consentire nuove strade per la spettroscopia infrarossa, lui dice. "Potrebbe anche consentire la risoluzione di singole molecole, "Fang dice, di biomolecole poste sulla superficie del materiale ibrido.

Sheng Shen, un assistente professore di ingegneria meccanica alla Carnegie Mellon University che non era coinvolto in questa ricerca, dice, "Questo lavoro rappresenta un progresso significativo nella comprensione delle interazioni sintonizzabili della luce nel grafene-hBN". Il lavoro è "piuttosto critico" per fornire le conoscenze necessarie per sviluppare dispositivi optoelettronici o fotonici basati su grafene e hBN, lui dice, e "potrebbe fornire una guida teorica diretta sulla progettazione di tali tipi di dispositivi. ... Personalmente sono molto entusiasta di questo nuovo lavoro teorico".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.