In un nuovo studio un team di ricerca internazionale guidato dall'Università di Vienna ha dimostrato che le strutture costruite attorno a un singolo strato di grafene consentono forti non linearità ottiche in grado di convertire la luce. Il team ha raggiunto questo obiettivo utilizzando nastri d'oro di dimensioni nanometriche per spremere la luce, sotto forma di plasmoni, in grafene atomicamente sottile. I risultati, che sono pubblicati in Nanotecnologia della natura sono promettenti per una nuova famiglia di dispositivi non lineari sintonizzabili ultra-piccoli.

Negli ultimi anni, è stato compiuto uno sforzo concertato per sviluppare dispositivi plasmonici per manipolare e trasmettere la luce attraverso dispositivi di dimensioni nanometriche. Allo stesso tempo, è stato dimostrato che le interazioni non lineari possono essere notevolmente migliorate utilizzando plasmoni, che può sorgere quando la luce interagisce con gli elettroni in un materiale. In un plasmone, la luce è legata agli elettroni sulla superficie di un materiale conduttore, permettendo ai plasmoni di essere molto più piccoli della luce che li ha originariamente creati. Questo può portare a interazioni non lineari estremamente forti. Però, i plasmoni sono tipicamente creati sulla superficie dei metalli, che li fa decadere molto rapidamente, limitando sia la lunghezza di propagazione del plasmone che le interazioni non lineari. In questo nuovo lavoro, i ricercatori dimostrano che la lunga durata dei plasmoni nel grafene e la forte non linearità di questo materiale possono superare queste sfide.

Nel loro esperimento, il gruppo di ricerca guidato da Philip Walther dell'Università di Vienna (Austria), in collaborazione con ricercatori dell'Istituto di Scienze Fotoniche di Barcellona (Spagna), l'Università della Danimarca meridionale, l'Università di Montpellier, e il Massachusetts Institute of Technology (USA) hanno utilizzato pile di materiali bidimensionali, chiamate eterostrutture, per costruire un dispositivo plasmonico non lineare. Hanno preso un singolo strato atomico di grafene e vi hanno depositato una serie di nanonastri metallici. I nastri di metallo ingrandivano la luce in entrata nello strato di grafene, convertendolo in plasmoni di grafene. Questi plasmoni sono stati poi intrappolati sotto i nanonastri d'oro, e produceva luce di diversi colori attraverso un processo noto come generazione armonica. Gli scienziati hanno studiato la luce generata, e ha mostrato che, l'interazione non lineare tra i plasmoni di grafene è stata cruciale per descrivere la generazione armonica. Secondo Irati Alonso Calafell, l'autore principale dell'articolo, "abbiamo dimostrato che i nanonastri d'oro relativamente semplici possono migliorare contemporaneamente la non linearità del grafene, eccitare plasmoni di grafene, e creare una cavità plasmonica."

Sebbene il campo della plasmonica del grafene sia ancora agli inizi, i ricercatori sono fiduciosi che questi risultati potrebbero essere utilizzati per sondare la nuova fisica nelle eterostrutture di grafene, e portare a una varietà di applicazioni. Lee Rozema, uno degli scienziati che lavorano al progetto, ha affermato che "il nostro team a Vienna ha precedentemente proposto che le interazioni non lineari mediate dai plasmoni di grafene possano essere utilizzate per l'informatica quantistica, e ora abbiamo fornito conferma sperimentale che questi plasmoni possono effettivamente interagire in modo non lineare." Il team prevede di continuare a spingere per eterostrutture di grafene ancora più efficienti, sperimentando nuove geometrie metalliche e sfruttando diversi tipi di interazioni non lineari.