Portatori di carica di grafene giacenti su diversi livelli energetici rappresentati dai coni di Dirac, che, a seconda del numero di portatori di carica, sono occupati fino al punto di neutralità (livello blu sul cono sinistro) o ben nella banda di conduzione (livello blu sul cono destro). Nei due casi, i portatori di carica fotoeccitati si rilassano con dinamiche più veloci (lato sinistro) o più lente (lato destro). Credito:Politecnico di Milano - CNR
Il grafene è il materiale più sottile mai prodotto, con lo spessore di un singolo strato atomico. Più sottile di un miliardesimo di metro, è in grado di assorbire efficacemente la luce dal visibile all'infrarosso attraverso la fotoeccitazione dei suoi portatori di carica. Dopo l'assorbimento della luce, i suoi portatori di carica fotoeccitati si raffreddano allo stato di equilibrio iniziale in pochi picosecondi, corrispondenti a un milionesimo di milionesimo di secondo. La notevole velocità di questo processo di rilassamento rende il grafene particolarmente promettente per numerose applicazioni tecnologiche, inclusi rivelatori di luce, sorgenti e modulatori.
Un recente studio pubblicato su ACS Nano ha dimostrato che il tempo di rilassamento dei portatori di carica del grafene può essere modificato in modo significativo applicando un campo elettrico esterno. La ricerca è stata concepita nell'ambito di una collaborazione internazionale tra il CNR-IFN, il Politecnico di Milano, l'Università di Pisa, il Graphene Center di Cambridge (UK) e l'ICN2 di Barcellona (Spagna).
"La variazione del tempo di rilassamento dei portatori di carica nel grafene che abbiamo osservato, dimostra un livello di controllo senza precedenti sulla risposta ottica di un cristallo e consente di ottenere una grande varietà di comportamenti utilizzando un unico materiale" afferma Eva Pogna, ricercata da CNR-IFN, primo autore dell'opera.
Questo lavoro apre la strada allo sviluppo di dispositivi che sfruttano il controllo del tempo di rilassamento dei portatori di carica per supportare nuove funzionalità. Ad esempio, se il grafene viene utilizzato come assorbitore saturabile in una cavità laser per generare impulsi di luce ultracorti, modificando il tempo di rilassamento dei portatori di carica, possiamo controllare la durata degli impulsi di uscita.
"Il dispositivo specifico che abbiamo utilizzato per studiare il grafene, si è rivelato fondamentale per osservare la forte sintonizzabilità delle sue proprietà ottiche con il campo elettrico esterno, consentendo di modificare il numero di portatori di carica su un ampio intervallo sfruttando il gating ionico del liquido, che è una tecnologia all'avanguardia introdotta per studiare i superconduttori", spiega Andrea Ferrari, direttore del Graphene Center di Cambridge.
Il dispositivo a base di grafene è stato studiato mediante spettroscopia ultraveloce, che ha permesso di monitorare la variazione del tempo di rilassamento dei portatori di carica.
"Questo lavoro rappresenta l'ultimo passo di una collaborazione di ricerca di lunga data dedicata allo studio della dinamica dei portatori ultraveloci nel grafene, volta ad esplorare le grandi potenzialità di questo affascinante materiale" come ha aggiunto Klaas-Jan Tielrooij, leader della Ultrafast Dynamics nel gruppo Nanoscale Systems presso ICN2.
"Questa scoperta è di grande interesse per numerose applicazioni tecnologiche, che vanno dalla fotonica, per sorgenti laser pulsate o limitatori ottici che impediscono il danneggiamento dei componenti ottici, alle telecomunicazioni, per rivelatori e modulatori ultraveloci" conclude Giulio Cerullo, docente del Dipartimento di Fisica di Politecnico di Milano. + Esplora ulteriormente
