La capacità di controllare le onde infrarosse e terahertz utilizzando campi magnetici o elettrici è una delle grandi sfide della fisica che potrebbe rivoluzionare l'optoelettronica, telecomunicazioni e diagnostica medica. Una teoria del 2006 prevede che dovrebbe essere possibile utilizzare il grafene, uno strato monoatomico di atomi di carbonio, in un campo magnetico non solo per assorbire terahertz e luce infrarossa su richiesta, ma anche per controllare la direzione della polarizzazione circolare. Ricercatori dell'Università di Ginevra (UNIGE), Svizzera, e l'Università di Manchester sono riuscite a testare questa teoria e hanno ottenuto i risultati previsti. Lo studio, da pubblicare sulla rivista Nanotecnologia della natura , mostra che gli scienziati hanno trovato un modo efficiente per controllare le onde infrarosse e terahertz. Mostra anche che il grafene sta mantenendo le sue promesse iniziali, e si fa strada come materiale del futuro, sia sulla terra che nello spazio.

"Esiste una classe dei cosiddetti materiali Dirac, dove gli elettroni si comportano come se non avessero massa, simili a particelle di luce, i fotoni, " spiega Alexey Kuzmenko, ricercatore presso il Dipartimento di Fisica della Materia Quantistica della Facoltà di Scienze dell'UNIGE, che ha condotto questa ricerca insieme a Ievgeniia Nedoliuk. Uno di questi materiali Dirac è il grafene, un monostrato di atomi di carbonio disposti a nido d'ape, relativo alla grafite usata per fare le matite.

L'interazione tra grafene e luce suggerisce che questo materiale potrebbe essere utilizzato per controllare le onde infrarosse e terahertz. "Sarebbe un enorme passo avanti per l'optoelettronica, sicurezza, telecomunicazioni e diagnostica medica, " sottolinea il ricercatore ginevrino.

Sostenere una vecchia teoria tramite la sperimentazione

Una previsione teorica del 2006 postulava che se un materiale Dirac viene posto in un campo magnetico, produrrà una risonanza di ciclotrone molto forte. "Quando una particella carica è nel campo magnetico, si muove in un'orbita circolare e assorbe l'energia elettromagnetica nell'orbita, o ciclotrone, frequenza, come ad esempio, accade nel Large Hadron Collider del CERN, " spiega Alexey Kuzmenko. "E quando le particelle hanno carica ma non massa, come elettroni nel grafene, l'assorbimento della luce è al massimo!"

Per dimostrare questo massimo assorbimento, i fisici avevano bisogno di un grafene molto puro in modo che gli elettroni che percorrono lunghe distanze non si disperdano su impurità o difetti del cristallo. Ma questo livello di purezza e ordine reticolare sono molto difficili da ottenere e si ottengono solo quando il grafene è incapsulato in un altro materiale bidimensionale:il nitruro di boro.

I ricercatori dell'UNIGE hanno collaborato con il gruppo dell'Università di Manchester guidato da André Geim, vincitore del premio Nobel per la fisica nel 2010 per aver scoperto il grafene, per sviluppare campioni di grafene estremamente puri. Questi campioni, che erano eccezionalmente grandi per questo tipo di grafene, erano tuttavia troppo piccoli per quantificare la risonanza del ciclotrone con tecniche consolidate. Ecco perché i ricercatori di Ginevra hanno costruito uno speciale apparato sperimentale per concentrare la radiazione infrarossa e terahertz su piccoli campioni di grafene puro nel campo magnetico. "E il risultato dell'esperimento ha confermato la teoria del 2006!" aggiunge Alexey Kuzmenko.

Polarizzazione personalizzata

I risultati hanno dimostrato per la prima volta che un colossale effetto magneto-ottico si verifica effettivamente se si utilizza uno strato di grafene puro. "Il massimo magnetoassorbimento possibile della luce infrarossa è ora raggiunto in uno strato monoatomico, "dice Kuzmenko.

Inoltre, i fisici scoprirono che era possibile scegliere quale polarizzazione circolare, sinistra o destra, dovesse essere assorbita. "Il grafene naturale o intrinseco è elettricamente neutro e assorbe tutta la luce, indipendentemente dalla sua polarizzazione. Ma se introduciamo portatori caricati elettricamente, positivo o negativo, possiamo scegliere quale polarizzazione viene assorbita, e questo funziona sia nell'infrarosso che nei terahertz, " continua lo scienziato. Questa capacità gioca un ruolo cruciale, soprattutto in farmacia, dove alcune molecole chiave di farmaci interagiscono con la luce a seconda della direzione di polarizzazione. interessante, questo controllo è considerato promettente per la ricerca della vita sugli esopianeti, poiché è possibile osservare le firme della chiralità molecolare inerente alla materia biologica.

Finalmente, i fisici hanno scoperto che per osservare un forte effetto nella gamma dei terahertz, è sufficiente applicare campi magnetici, che potrebbero essere già generati da magneti permanenti poco costosi. Ora che la teoria è stata confermata, i ricercatori continueranno a lavorare su sorgenti e rilevatori regolabili magneticamente di terahertz e luce infrarossa. Il grafene continua a sorprenderli.