Fisici del MIPT e della Vladimir State University, Russia, hanno convertito l'energia luminosa in onde di superficie sul grafene con un'efficienza di quasi il 90%. Hanno fatto affidamento su uno schema di conversione dell'energia simile a un laser e su risonanze collettive. Il documento è stato pubblicato in Recensioni su laser e fotonica .

La manipolazione della luce su scala nanometrica è un compito cruciale per poter creare dispositivi ultracompatti per la conversione e l'immagazzinamento dell'energia ottica. Per localizzare la luce su così piccola scala, i ricercatori convertono la radiazione ottica nei cosiddetti polaritoni plasmonici di superficie. Questi SPP sono oscillazioni che si propagano lungo l'interfaccia tra due materiali con indici di rifrazione drasticamente diversi, in particolare, un metallo e un dielettrico o aria. A seconda dei materiali scelti, il grado di localizzazione delle onde superficiali varia. È il più forte per la luce localizzata su un materiale dello spessore di un solo strato atomico, perché tali materiali 2-D hanno indici di rifrazione elevati.

Gli schemi esistenti per convertire la luce in SPP su superfici 2D hanno un'efficienza non superiore al 10%. È possibile migliorare questa cifra utilizzando convertitori di segnale intermedi, nano-oggetti di varie composizioni chimiche e geometrie.

I convertitori intermedi utilizzati nel recente studio in Recensioni su laser e fotonica sono punti quantici di semiconduttori con una dimensione da 5 a 100 nanometri e una composizione simile a quella del semiconduttore solido da cui sono fabbricati. Detto ciò, le proprietà ottiche di un punto quantico variano considerevolmente con le sue dimensioni. Quindi, cambiando le sue dimensioni, i ricercatori possono sintonizzarlo sulla lunghezza d'onda ottica di interesse. Se un insieme di punti quantici di varie dimensioni è illuminato con luce naturale, ogni punto risponderà a una particolare lunghezza d'onda.

I punti quantici sono disponibili in varie forme:cilindri, piramidi, sfere, ecc.-e diverse composizioni chimiche. Nel suo studio, il team di ricercatori russi ha utilizzato punti quantici a forma di ellissoide di 40 nanometri di diametro. I punti servivano da diffusori posizionati sopra la superficie del grafene, che è stato illuminato con luce infrarossa a una lunghezza d'onda di 1,55 micrometri. Un tampone dielettrico spesso diversi nanometri separava il foglio di grafene dai punti quantici.

L'idea di utilizzare un punto quantico come diffusore non è nuova. Alcuni dei precedenti studi sul grafene utilizzavano una disposizione simile, con i puntini posizionati sopra il foglio 2-D e che interagiscono sia con la luce che con onde elettromagnetiche di superficie ad una lunghezza d'onda comune condivisa dai due processi. Ciò è stato reso possibile dalla scelta di una dimensione del punto quantico esattamente corretta. Mentre un tale sistema è abbastanza facile da sintonizzare su una risonanza, è suscettibile all'estinzione della luminescenza, la conversione dell'energia della luce incidente in calore, nonché alla diffusione inversa della luce. Di conseguenza, l'efficienza della generazione SPP non ha superato il 10%.

"Abbiamo studiato uno schema in cui un punto quantico posizionato sopra il grafene interagisce sia con la luce incidente che con l'onda elettromagnetica di superficie, ma le frequenze di queste due interazioni sono diverse. Il punto interagisce con la luce alla lunghezza d'onda di 1,55 micrometri e con il polaritone plasmonico di superficie a 3,5 micrometri. Ciò è reso possibile da uno schema di interazione ibrido, ", afferma il coautore dello studio Alexei Prokhorov, un ricercatore senior presso il Centro MIPT per la fotonica e i materiali 2-D, e professore associato alla Vladimir State University.

L'essenza dello schema di interazione ibrida è che invece di utilizzare solo due livelli di energia, quello superiore e quello inferiore, la configurazione include anche un livello intermedio. Questo è, il team ha utilizzato una struttura energetica simile a quella del laser. Il livello di energia intermedio serve a consentire la forte connessione tra il punto quantico e l'onda elettromagnetica di superficie. Il punto quantico subisce eccitazione alla lunghezza d'onda del laser che lo illumina, mentre le onde di superficie sono generate alla lunghezza d'onda determinata dalla risonanza del punto quantico SPP.

"Abbiamo lavorato con una gamma di materiali per la produzione di punti quantici, oltre che con vari tipi di grafene, " Ha spiegato Prokhorov. "A parte il grafene puro, c'è anche quello che si chiama grafene drogato, che incorpora elementi dei gruppi vicini nella tavola periodica. A seconda del tipo di doping, il potenziale chimico del grafene varia. Abbiamo ottimizzato i parametri del punto quantico:la sua chimica, geometria, così come il tipo di grafene, in modo da massimizzare l'efficienza della conversione dell'energia luminosa in plasmoni-polaritoni di superficie. Alla fine abbiamo optato per il grafene drogato e l'antimonide di indio come materiale per punti quantici".

Nonostante l'input energetico altamente efficiente nel grafene tramite l'intermediario del punto quantico, l'intensità delle onde risultanti è estremamente bassa. Perciò, un numero elevato di punti deve essere utilizzato in una disposizione specifica sopra lo strato di grafene. I ricercatori hanno dovuto trovare precisamente la giusta geometria, la distanza perfetta tra i punti per garantire l'amplificazione del segnale dovuta alla fasatura dei campi vicini di ciascun punto. Nel loro studio, il team riferisce di aver scoperto una tale geometria e di aver misurato un segnale nel grafene che era ordini di grandezza più potente rispetto ai punti quantici disposti casualmente. Per i loro calcoli successivi, i fisici hanno impiegato moduli software sviluppati autonomamente.

L'efficienza di conversione calcolata del nuovo schema proposto raggiunge il 90%-95%. Pur tenendo conto di tutti i potenziali fattori negativi che potrebbero incidere su questa cifra di merito, rimarrà al di sopra del 50%, parecchie volte superiore a qualsiasi altro sistema concorrente.

"Gran parte di tale ricerca si concentra sulla creazione di dispositivi ultracompatti che sarebbero in grado di convertire l'energia luminosa in polaritoni plasmonici di superficie con un'elevata efficienza e su scala molto ridotta nello spazio, registrando così l'energia luminosa in qualche struttura, " ha affermato il direttore del Centro MIPT per la fotonica e i materiali 2-D, Valentin Volkov, che ha co-autore dello studio. "Inoltre, puoi accumulare polaritoni, potenzialmente progettando una batteria ultrasottile composta da diversi strati atomici. È possibile utilizzare l'effetto in convertitori di energia luminosa simili alle celle solari, ma con un'efficienza diverse volte superiore. Un'altra applicazione promettente ha a che fare con il rilevamento di nano e bio-oggetti".