I metamateriali in grafene controllano la velocità della luce

I ricercatori finanziati dall’UE hanno studiato i metamateriali base che possiedono chiralità estrema e hanno sviluppato un polarizzatore attivo in grafene, comandabile a livello elettrico. È stata dimostrata in modo sperimentale una nuova classe di strutture con metamateriali a doppio strato in grado di migliorare significativamente l’attività ottica attraverso un forte accoppiamento intermolecolare tra metamolecole chirali adiacenti e planari.

Ricerca di base

I metamateriali comprendono insiemi di elementi multipli formati da materiali compositi che presentano proprietà ottiche insolite, non presenti in natura. Il progetto GRAB-A-META (Graphene based active metamaterials), finanziato dall’UE, ha utilizzato la tecnologia con metamateriale in grafene per sviluppare il controllo attivo delle proprietà ottiche, tra cui polarizzazione e velocità della luce. Le proprietà elettromagnetiche di questi materiali artificiali possono essere ingegnerizzate progettando strutture metalliche caratterizzate da sub-lunghezza d’onda, dette meta-atomi, al fine di ottenere fenomeni fisici inattesi. Tali fenomeni includono indice di rifrazione negativo, grande chiralità e analoga trasparenza elettromagneticamente indotta (EIT). Il sistema composto da metamateriale si caratterizza per una piattaforma flessibile e molto sottile autonoma, la quale gode di un controllo elettrico completo. Questo non solo ha permesso il controllo di nuove proprietà ottiche, ha anche superato la maggior parte dei limiti degli attuali metamateriali basati su semiconduttori. I ricercatori hanno studiato i metamateriali chirali in combinazione con un grafene gated monostrato. I risultati hanno dimostrato che la trasmissione di un’onda terahertz (THz) con una polarizzazione circolare può essere controllata elettricamente senza influenzare la trasmissione dell’altra polarizzazione circolare. Ciò ha portato a notevoli profondità di modulazione con una bassa tensione di porta. Gli scienziati hanno inoltre dimostrato che è stato possibile ottenere operazioni di memoria di polarizzazione con tempo di ritenzione di 10 anni. Ciò è stato ottenuto mediante l’ibridazione tra grafene, materiale ferroelettrico e metamateriali chirali. Abilitando il controllo elettrico della polarizzazione, i metamateriali chirali in grafene possono portare a svariate applicazioni nel campo delle tecnologie THz. Queste includono modulatori di polarizzazione attivi ultra-compatti per le telecomunicazioni e dispositivi di immaginografia e sensori ultrasensibili per identificare le chiralità e le strutture delle macromolecole. In aggiunta, sono stati sviluppati dispositivi con bassa velocità della luce nei metamateriali EIT con grafene attivo, in grado di controllare la velocità della luce attraverso le tensioni di porta. L’analisi teorica ha indicato che questa commutazione EIT attiva è dovuta alla soppressione della perdita dissipativa del risonatore radiativo, dovuta alla regolazione elettrica della conduttività relativa allo strato di grafene integrato. Il lavoro del progetto GRAB-A-META in quanto alla regolazione attiva dei metamateriali EIT può aprire la strada per la progettazione di dispositivi attivi con bassa velocità della luce, sensori ultrasensibili e dispositivi non lineari.