Uno dei requisiti chiave delle future tecnologie di comunicazione ottica è una sorgente luminosa su nanoscala in grado di emettere impulsi luminosi ultraveloci. In un nuovo studio, i ricercatori hanno dimostrato che il grafene può essere un candidato ideale per una tale fonte di luce, dimostrando dispositivi a base di grafene che emettono impulsi luminosi con una larghezza di banda fino a 10 GHz e durate degli impulsi inferiori a 100 picosecondi (o 10 miliardi di impulsi al secondo).

I ricercatori, tra cui l'autore principale Young Duck Kim alla Kyung Hee University in Corea del Sud, Professor James Hone alla Columbia University, e i loro coautori, hanno pubblicato un articolo sugli emettitori di luce a base di grafene in un recente numero di Nano lettere .

"Il grafene è un importante materiale emergente nella nanofotonica:lavori recenti hanno dimostrato fotorilevatori ad alta velocità e modulatori ottici a base di grafene, " Kim ha detto Phys.org . "Questo lavoro aggiunge l'emissione di luce alla cassetta degli attrezzi dei dispositivi fotonici ultraveloci basati sul grafene".

Come spiegano i fisici, il grafene ha diverse proprietà che lo rendono un candidato promettente come emettitore di luce ultraveloce, compresa un'elevata stabilità termica e una bassa capacità termica. Ricerche precedenti hanno dimostrato che i dispositivi a base di grafene possono emettere luce nelle gamme dell'infrarosso e del visibile, anche se la sfida per consentire una modulazione on-off rapida pratica rimane ancora. I ricercatori spiegano che, per fare questo, è necessario un design del dispositivo supportato da substrato con un'efficiente conduzione del calore per consentire un rapido raffreddamento tra gli impulsi.

Per rispondere a questa esigenza, nel nuovo articolo i ricercatori hanno incapsulato il grafene in nitruro di boro esagonale (hBN). Hanno dimostrato che l'incapsulamento consente al grafene di raggiungere temperature sufficientemente elevate da emettere luce brillante nella gamma del visibile e del vicino infrarosso, con una buona stabilità (durata stimata del dispositivo di almeno 4 anni), e raffreddamento rapido. Di conseguenza, il dispositivo genera impulsi luminosi ultraveloci con una durata di appena 90 picosecondi e una velocità di modulazione di diversi ordini di grandezza più veloce rispetto ai tradizionali emettitori termici.

I fisici spiegano che l'alta velocità si verifica probabilmente perché ci sono due diversi tipi di fononi (ottici e acustici), e gli elettroni nel grafene sono fortemente accoppiati ai fononi ottici ma debolmente accoppiati ai fononi acustici. Altri lavori recenti hanno dimostrato che elettroni e fononi ottici formano modi ibridi all'interfaccia grafene-hBN noti come polaritoni plasmone-fonone, che forniscono un trasferimento di calore in campo vicino altamente efficiente. Insieme, il debole accoppiamento fononico acustico e il rilassamento elettronico diretto in hBN consentono il raffreddamento a una velocità molto più rapida di quella necessaria per trasferire calore dal sistema per conduzione, che consente le alte velocità di modulazione.

I ricercatori si aspettano che gli emettitori di luce al grafene ultraveloci abbiano potenziali applicazioni oltre le comunicazioni ottiche a 100 GHz, estendendosi alla spettroscopia su chip, fotorilevatori, e plasmonica. I dispositivi possono anche essere utili come riscaldatori ultraveloci per studiare fenomeni come reazioni chimiche e transizioni di fase. Come passo successivo, i ricercatori hanno in programma di migliorare ulteriormente le proprietà di emissione della luce dei dispositivi.

"Abbiamo in programma di spingere sia la velocità che l'efficienza di questi dispositivi, " Hone ha detto. "I nostri calcoli indicano che la velocità fondamentale di questi dispositivi dovrebbe superare i 100 GHz. In questo momento l'efficienza energetica è bassa, ma ci sono molte tecniche che possono essere utilizzate per aumentare l'emissione di luce e ridurre il flusso di calore al fine di migliorare l'efficienza".

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