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Bilayer Graphene Exciton Polariton

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Dinamiche eccitone-fotone nel grafene

Un progetto finanziato dall’UE ha studiato i fenomeni fisici alla base delle interazioni luce-materia nel grafene a due strati con un intervallo di banda. I risultati del progetto apriranno la strada allo sviluppo di dispositivi optoelettronici pionieristici.

Energia

Gli eccitoni, quasiparticelle neutre che esistono nei semiconduttori, dimostrano un forte accoppiamento con la luce. L’incorporamento del grafene a due strati con un intervallo di banda nelle microcavità ottiche consente di controllare l’interazione che può portare a un regime di accoppiamento forte. Tale interazione causa la formazione di un nuovo tipo di quasiparticella nota come eccitone-polaritone, una particella bosonica metà luce e metà materia. Con il finanziamento dell’UE del progetto BIGEXPO (“Bilayer graphene exciton polariton”), gli scienziati hanno lavorato per migliorare la conoscenza dell’accoppiamento del grafene a due strati con il campo fotonico di una microcavità. Sulla base di un approccio di non perturbazione, il progetto BIGEXPO si è concentrato sullo studio dei fenomeni che si verificano quando uno strato a dipolo come una lamina di grafene interagisce con un campo elettromagnetico. I risultati dello studio hanno dimostrato che l’effetto Purcell scompone, contrariamente a quanto si potrebbe intuire, il crollo della velocità di emissione in un regime di accoppiamento forte. Inoltre, i ricercatori hanno concluso che le approssimazioni attuali delle emissioni fotoniche devono essere modificate. Un altro compito è stato lo sviluppo di una teoria microscopica che descrivesse l’accoppiamento tra gli eccitoni nel grafene a due strati e i fotoni. Una volta completamente sviluppata, questa teoria dovrebbe fornire una descrizione completa dei fenomeni fisici alla base dell’interazione luce-materia. La natura non perturbativa dell’accoppiamento dovrebbe fornire una spiegazione per gli straordinari effetti fisici. Il progetto BIGEXPO ha cercato di aumentare le conoscenze dei processi fisici che governano le dinamiche eccitone-fotone nelle microcavità. Considerando il suo ampio momento eccitonico di dipolo, il sistema di microcavità del grafene potrebbe ampliare le frontiere della ricerca nel campo dell’elettrodinamica quantica delle cavità di stato solido. Questo non solo consentirà di osservare un nuovo regime di accoppiamento luce-materia con una forte correlazione, ma porterà anche alla creazione di dispositivi optoelettronici super efficienti a terahertz e infrarosso medio.

Parole chiave

Grafene, interazione luce-materia, optoelettronica, grafene a due strati, eccitone polaritone

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