Praktyczne zastosowanie nanofotonicznych układów grafenowych
Grafen, prawdziwie dwuwymiarowy materiał składający się z pojedynczej warstwy atomów węgla, cieszy się od chwili jego eksperymentalnego wyizolowania ogromnym zainteresowaniem naukowców ze względu na swoje niezwykłe właściwości elektroniczne, mechaniczne i optyczne. Wyjątkowe cechy grafenu wywierają silny wpływ na kierowane powierzchniowe fale elektromagnetyczne, nazywane plazmonami powierzchniowymi. Uczeni przypuszczają, że plazmony powierzchniowe i związane z nimi pola optyczne można dostrajać elektrycznie poprzez zmianę gęstości nośników ładunku grafenu. Prace doświadczalne przeprowadzone w ramach projektu GRANOP (Graphene nano-photonics) sugerują, że plazmony grafenowe można ograniczyć do objętości miliony razy mniejszej niż plazmony rozchodzące się w wolnej przestrzeni. Ponadto, uczeni wykazali, że w realistycznych warunkach wysoce uwięzione pola optyczne plazmonów dają początek oddziaływaniom zachodzącym w skali pikosekundowej — znacznie krótszej niż przewidywany okres życia plazmonów. Zespół GRANOP wykorzystał to oddziaływanie oraz charakterystyczną dla grafenu nieliniowość do zbudowania przełącznika jednofotonowego. Dokładniej mówiąc, zamknięcie pola optycznego wykorzystano do przekształcenia nanostruktury grafenowej w przestrajalną wnękę rezonansową o ekstremalnie małej objętości modów. Rezonans wnęki kontrolowany był in situ poprzez bramkowanie grafenu. Możliwość załączania i wyłączania modów plazmonu powinna otworzyć drogę do stworzenia grafenowych tranzystorów optycznych. Połączenie nanoelektroniki i nanooptyki pozwala na stworzenie mnóstwa urządzeń nano-optoelektronicznych. Silnie wzmocnione oddziaływania światło-materia mają zostać wykorzystane między innymi w urządzeniach kwantowych. Przed zakończeniem projektu naukowcy zademonstrowali silne oddziaływania między grafenem i jonami erbu w nanoskalowych emiterach światła. Dzięki umieszczeniu jonów erbu w odległości kilku nanometrów od grafenu uczeni byli w stanie modyfikować szybkość relaksacji wzbudzonych jonów erbu, które emitują fale świetlne o długości 1,5 µm, nadające się do zastosowań telekomunikacyjnych. Możliwe było także kontrolowanie, czy emiter rozpada się na pary elektron-dziura, emitowane fotony czy plazmony grafenowe. Przeprowadzone w projekcie GRANOP badania dotyczące kontrolowania szybkości i szlaków relaksacji takich emiterów światła mogą znaleźć zastosowanie w tak różnych dziedzinach, jak kwantowe przetwarzanie informacji, zbieranie światła czy detekcja przy pomocy cząsteczek biologicznych.
Słowa kluczowe
Grafen, nanofotonika, plazmony powierzchniowe, pola optyczne, GRANOP, emitery światła
