La nanofotonica con grafene si fa strada nelle applicazioni pratiche
Il grafene, un materiale realmente 2D composto da un singolo strato di atomi di carbonio, ha suscitato grande interesse, a cominciare dal suo isolamento sperimentale per le straordinarie proprietà elettroniche, meccaniche ed ottiche. Le proprietà uniche del grafene vantano un forte effetto sulle onde elettromagnetiche di superficie guidate, chiamate plasmoni di superficie. Si prevede che i plasmoni di superficie e i campi ottici associati possano essere regolati elettricamente variando la densità dei portatori del grafene. Il lavoro sperimentale all’interno del progetto GRANOP (Graphene nano-photonics) ha indicato che i plasmoni del grafene possono essere limitati a volumi milioni di volte più piccoli rispetto ai plasmoni che si propagano nello spazio libero. Inoltre, gli scienziati hanno dimostrato che, in condizioni realistiche, i campi ottici altamente ristretti dei plasmoni danno luogo a interazioni su scale temporali di picosecondi, molto più brevi rispetto alla durata prevista dei plasmoni. Il team GRANOP ha approfittato di questa interazione e dell’intrinseca non-linearità del grafene per realizzare un interruttore a singolo fotone. In particolare, è stato utilizzato il confinamento del campo ottico per trasformare una nanostruttura di grafene in una cavità risonante regolabile, con volume modale estremamente ridotto. La risonanza della cavità è stata controllata in situ mediante operazioni di gating del grafene. Si prevede che la possibilità di attivare e disattivare le modalità plasmoniche possa aprire la strada a transistor ottici a base di grafene. La combinazione di nanoelettronica e nano-ottica consente lo sviluppo di una pletora di dispositivi nano-optoelettronici. Tra le applicazioni, sono previste interazioni luce-materia fortemente migliorate per i dispositivi quantistici. Prima della chiusura del progetto, gli scienziati hanno dimostrato forti interazioni tra grafene e ioni di erbio come emettitori di luce su scala nanometrica. Posizionando gli ioni di erbio a pochi nanometri di distanza dal grafene, è stato possibile modificare la velocità di rilassamento degli ioni di erbio eccitati, i quali emettono luce alla lunghezza d’onda di 1,5 µm, tecnologicamente rilevante a livello di telecomunicazioni. Inoltre, sarebbe possibile controllare se l’emettitore decade in coppie elettrone-lacuna, fotoni emessi o plasmoni di grafene. Il lavoro del progetto GRANOP sul controllo delle velocità di rilassamento e sui percorsi di tali emettitori di luce avrà applicazioni in campi che vanno dall’elaborazione quantistica delle informazioni e la raccolta di luce al rilevamento di biomolecole.
Parole chiave
Grafene, nanofotonica, plasmoni di superficie, campi ottici, GRANOP, emettitori di luce