Dalla radio alla televisione a Internet, le trasmissioni di telecomunicazioni sono semplicemente informazioni trasportate su onde luminose e convertite in segnali elettrici.

Le fibre ottiche a base di silicio sono attualmente le migliori strutture per l'alta velocità, trasmissioni a lunga distanza, ma il grafene, un tutto carbonio, materiale ultrasottile e adattabile:potrebbe migliorare ulteriormente le prestazioni.

In uno studio pubblicato il 16 aprile in Fotonica ACS , I ricercatori dell'Università del Wisconsin-Madison hanno fabbricato il grafene nelle strutture a nastro più piccole fino ad oggi utilizzando un metodo che semplifica il ridimensionamento. Nei test con questi piccoli nastri, gli scienziati hanno scoperto che si stavano avvicinando alle proprietà di cui avevano bisogno per spostare il grafene verso l'utilità nelle apparecchiature per le telecomunicazioni.

"Ricerche precedenti hanno suggerito che per essere praticabili per le tecnologie di telecomunicazione, il grafene dovrebbe essere strutturato in modo proibitivo su aree estese, (che è) un incubo di fabbricazione, "dice Joel Siegel, uno studente laureato alla UW-Madison nel gruppo del professore di fisica Victor Brar e co-autore dello studio. "Nel nostro studio, abbiamo creato una tecnica di fabbricazione scalabile per realizzare le più piccole strutture del nastro di grafene e abbiamo scoperto che con modeste ulteriori riduzioni della larghezza del nastro, possiamo iniziare a raggiungere la portata delle telecomunicazioni."

Il grafene è considerato un materiale meraviglioso per tecnologie come le telecomunicazioni o le celle solari perché è facile da lavorare, è relativamente poco costoso, e ha proprietà fisiche uniche come essere sia un isolante che un conduttore di elettricità.

Se modificato per interagire con la luce a energia più elevata, il grafene potrebbe essere utilizzato per modulare i segnali delle telecomunicazioni a velocità fulminee. Per esempio, potrebbe essere utilizzato per bloccare le frequenze di comunicazione indesiderate.

Un modo per migliorare le prestazioni del grafene è tagliarlo in microscopici, strutture a nastro su scala nanometrica, che agiscono come minuscole antenne che interagiscono con la luce. Più piccola è l'antenna, le energie superiori di luce con cui interagisce. Può anche essere "sintonizzato" per interagire con più energie luminose quando viene applicato un campo elettrico, estendendo ulteriormente le sue prestazioni.

I ricercatori, compresi i team guidati dai professori di scienza e ingegneria dei materiali UW-Madison Michael Arnold e Padma Gopalan, prima voleva realizzare un dispositivo di nastri di grafene che fosse più stretto di qualsiasi altro prodotto finora. Costruendo polimeri a forma di nastro sopra il grafene e poi incidendo parte del materiale circostante, sono stati lasciati con esattamente disegnato, nastri di grafene incredibilmente sottili.

"È molto utile perché non ci sono buone tecniche di fabbricazione per arrivare alle dimensioni delle caratteristiche che abbiamo fatto, 12 nanometri di larghezza su una vasta area, " Dice Siegel. "E non c'è differenza tra la modellazione su scala centimetrica con cui stiamo lavorando qui e wafer giganti da sei pollici utili per applicazioni industriali. È molto facile scalare".

Con i dispositivi fabbricati, i ricercatori hanno quindi potuto testare come i nastri hanno interagito con la luce e quanto bene potevano controllare tale interazione.

In collaborazione con il gruppo del professore di ingegneria elettrica e informatica Mikhail Kats di UW-Madison, hanno fatto brillare diverse lunghezze d'onda della luce infrarossa nelle strutture e hanno identificato la lunghezza d'onda in cui i nastri e la luce hanno interagito più fortemente, nota come lunghezza d'onda di risonanza.

Hanno scoperto che man mano che la larghezza del nastro diminuisce, così fa la lunghezza d'onda di risonanza della luce. Lunghezze d'onda inferiori significano energie più elevate, e i loro dispositivi hanno interagito con le energie più elevate mai misurate per il grafene strutturato.

I ricercatori sono stati anche in grado di sintonizzare i nastri aumentando l'intensità del campo elettrico applicato alle strutture, riducendo ulteriormente la lunghezza d'onda di risonanza delle strutture. I ricercatori hanno determinato che una struttura ha la flessibilità prevista necessaria per le applicazioni tecnologiche che miravano a ottenere.

Hanno quindi confrontato i loro dati sperimentali con i comportamenti previsti del grafene strutturato su tre diverse larghezze di nastro e tre intensità di campo elettrico. I nastri più larghi creati dai ricercatori corrispondevano strettamente ai comportamenti previsti.

Ma per nastri più stretti, hanno visto un cosiddetto blueshift, o uno spostamento verso energie superiori al previsto. Lo spostamento verso il blu può essere spiegato dal fatto che gli elettroni nei nastri più piccoli avrebbero maggiori probabilità di interagire e respingersi a vicenda.

"Lo spostamento verso il blu che abbiamo osservato indica che le lunghezze d'onda delle telecomunicazioni possono essere raggiunte con strutture molto più grandi di quanto previsto in precedenza, da 8 a 10 nanometri, che è solo marginalmente più piccolo delle strutture di 12 nanometri che abbiamo realizzato, "dice Siegel.

Con l'obiettivo da 8 a 10 nanometri molto più vicino del previsto, i ricercatori stanno ora cercando di modificare i loro metodi di fabbricazione per rendere i nastri ancora più stretti. Queste nuove nanostrutture di grafene consentiranno anche esplorazioni nella fisica fondamentale delle interazioni luce-materia, ricerca che Siegel e colleghi stanno attualmente portando avanti.