Quando un aeroplano inizia a muoversi più velocemente della velocità del suono, crea un'onda d'urto che produce un noto "boom" di suoni. Ora, ricercatori del MIT e altrove hanno scoperto un processo simile in un foglio di grafene, in cui un flusso di corrente elettrica può, in determinate circostanze, superare la velocità della luce rallentata e produrre una sorta di "boom" ottico:un intenso, fascio di luce focalizzato.

Questo modo completamente nuovo di convertire l'elettricità in radiazione visibile è altamente controllabile, veloce, ed efficiente, dicono i ricercatori, e potrebbe portare a un'ampia varietà di nuove applicazioni. Il lavoro è riportato oggi sulla rivista Comunicazioni sulla natura , in un articolo di due professori del MIT:Marin Soljačić, professore di fisica; e John Joannopoulos, il professore di fisica Francis Wright Davis, nonché postdoc Ido Kaminer, e altri sei in Israele, Croazia, e Singapore.

La nuova scoperta è partita da un'osservazione intrigante. I ricercatori hanno scoperto che quando la luce colpisce un foglio di grafene, che è una forma bidimensionale dell'elemento carbonio, può rallentare di un fattore di alcune centinaia. Quel drammatico rallentamento, hanno notato, presentato un'interessante coincidenza. La velocità ridotta dei fotoni (particelle di luce) che si muovono attraverso il foglio di grafene era molto vicina alla velocità degli elettroni mentre si muovevano attraverso lo stesso materiale.

"Il grafene ha questa capacità di intrappolare la luce, nei modi che chiamiamo plasmoni di superficie, " spiega Kaminer, chi è l'autore principale del giornale. I plasmoni sono una specie di particella virtuale che rappresenta le oscillazioni degli elettroni sulla superficie. La velocità di questi plasmoni attraverso il grafene è "alcune centinaia di volte più lenta della luce nello spazio libero, " lui dice.

Questo effetto combacia con un'altra delle eccezionali caratteristiche del grafene:gli elettroni lo attraversano a velocità molto elevate, fino a un milione di metri al secondo, ovvero circa 1/300 della velocità della luce nel vuoto. Ciò significava che le due velocità erano abbastanza simili da consentire interazioni significative tra i due tipi di particelle, se il materiale potesse essere sintonizzato per far corrispondere le velocità.

Quella combinazione di proprietà - rallentare la luce e consentire agli elettroni di muoversi molto velocemente - è "una delle proprietà insolite del grafene, " afferma Soljačić. Ciò ha suggerito la possibilità di utilizzare il grafene per produrre l'effetto opposto:produrre luce invece di intrappolarla. "Il nostro lavoro teorico mostra che questo può portare a un nuovo modo di generare luce, " lui dice.

Nello specifico, lui spiega, "Questa conversione è resa possibile perché la velocità elettronica può avvicinarsi alla velocità della luce nel grafene, rompere la 'barriera della luce'". Proprio come rompere la barriera del suono genera un'onda d'urto di suoni, lui dice, "Nel caso del grafene, questo porta all'emissione di un'onda d'urto di luce, intrappolato in due dimensioni."

Il fenomeno che il team ha sfruttato si chiama effetto Čerenkov, descritto per la prima volta 80 anni fa dal fisico sovietico Pavel Čerenkov. Solitamente associato a fenomeni astronomici e sfruttato come un modo per rilevare particelle cosmiche ultraveloci mentre sfrecciano attraverso l'universo, e anche per rilevare particelle risultanti da collisioni ad alta energia negli acceleratori di particelle, l'effetto non era stato considerato rilevante per la tecnologia Earthbound perché funziona solo quando gli oggetti si muovono vicino alla velocità della luce. Ma il rallentamento della luce all'interno di un foglio di grafene ha fornito l'opportunità di sfruttare questo effetto in una forma pratica, dicono i ricercatori.

Esistono molti modi diversi per convertire l'elettricità in luce:dai filamenti di tungsteno riscaldati che Thomas Edison perfezionò più di un secolo fa, ai tubi fluorescenti, ai diodi emettitori di luce (LED) che alimentano molti schermi e stanno guadagnando il favore per l'illuminazione domestica. Ma questo nuovo approccio basato sui plasmoni potrebbe alla fine far parte di un più efficiente, più compatto, Più veloce, e alternative più sintonizzabili per determinate applicazioni, dicono i ricercatori.

Forse più significativamente, questo è un modo per generare plasmoni in modo efficiente e controllabile su una scala compatibile con l'attuale tecnologia dei microchip. Tali sistemi basati sul grafene potrebbero potenzialmente essere componenti chiave su chip per la creazione di nuovi, circuiti a base di luce, che sono considerati una nuova importante direzione nell'evoluzione della tecnologia informatica verso dispositivi sempre più piccoli ed efficienti.

"Se vuoi fare tutti i tipi di problemi di elaborazione del segnale su un chip, vuoi avere un segnale molto veloce, e anche di poter lavorare su scale molto piccole, " Dice Kaminer. I chip dei computer hanno già ridotto la scala dell'elettronica al punto che la tecnologia sta scontrandosi con alcuni limiti fisici fondamentali, quindi "bisogna entrare in un diverso regime di elettromagnetismo, " dice. L'uso della luce invece degli elettroni in movimento come base per lo spostamento e l'archiviazione dei dati ha il potenziale per aumentare le velocità operative "di sei ordini di grandezza superiori a quelle utilizzate nell'elettronica, " Kaminer dice, in altre parole, in linea di principio fino a un milione di volte più veloce.

Un problema affrontato dai ricercatori che cercano di sviluppare chip a base ottica, lui dice, è che mentre l'elettricità può essere facilmente confinata all'interno dei fili, la luce tende a diffondersi. All'interno di uno strato di grafene, però, nelle giuste condizioni, le travi sono molto ben confinate.

"C'è molto entusiasmo per il grafene, "dice Soljačić, "perché potrebbe essere facilmente integrato con altri dispositivi elettronici" consentendo il suo potenziale utilizzo come fonte di luce su chip. Finora, il lavoro è teorico, lui dice, quindi il prossimo passo sarà creare versioni funzionanti del sistema per dimostrare il concetto. "Ho fiducia che dovrebbe essere fattibile entro uno o due anni, " dice. Il passo successivo sarebbe quindi quello di ottimizzare il sistema per la massima efficienza.

Questa scoperta "è un concetto veramente innovativo che ha il potenziale per essere la chiave per risolvere il problema di lunga data di ottenere una conversione del segnale elettrico-ottico altamente efficiente e ultraveloce su nanoscala, "dice Jorge Bravo-Abad, un assistente professore presso l'Università Autonoma di Madrid, in Spagna, chi non era coinvolto in questo lavoro.

Inoltre, Bravo-Abad dice, "la nuova istanza dell'emissione erenkov scoperta dagli autori di questo lavoro apre prospettive completamente nuove per lo studio dell'effetto Čerenkov nei sistemi su nanoscala, senza la necessità di sofisticati allestimenti sperimentali. Non vedo l'ora di vedere l'impatto significativo e le implicazioni che questi risultati avranno sicuramente nell'interfaccia tra fisica e nanotecnologia".

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.