Graphene breaks light confinement limit / Il grafene supera il limite di confinamento della luce
In a breakthrough for optical computing, researchers have used graphene to confine light to the smallest possible space, just one atom wide.
Confining light to small spaces is a fundamental challenge for computing using light rather than electric current. The smaller the space into which a pulse of light can be confined, the more compact a device using this technology, such as sensors or nanoscale lasers can be. Up to now, light has been confined to a space smaller than its own wavelength using the atomic lattices of metals to trap and guide photons. Now, researchers from the European Graphene Flagship, led by a team from ICFO (the Institute of Photonic Sciences in Barcelona), have found that this is yet another property that can be accessed using the single atom thick form of elemental carbon
“Graphene keeps surprising us: nobody thought that confining light to the one atom limit would be possible,” said research leader Prof Frank Koppens. In a paper published in Science, Koppens and colleagues at the University of Minho, Portugal, and MIT describe how they fabricated a composite nano-optical device starting with a layer of graphene, topped with an insulating hexagonal boron nitride layer, which was in turn topped with an array of metallic rods. Graphene is already known to have the ability to guide light in the form of plasmons, which are oscillations of electrons within the material structure that interact strongly with light.
“At first, we were looking for a new way to excite graphene plasmons,” said David Alcaraz Iranzo, lead author of the Science paper. “On the way, we found that the confinement was stronger than before and the additional losses minimal.” This is a step forward, because confinement using metal lattices has always led to a sharp drop in the energy of the light pulse. “So we decided to go to the one atom limit,” he continued, “with surprising results.”
The team sent infrared light through the device stack and observed that plasmon is propagated between the metal and the graphene. Reducing the thickness of hexagonal boron nitride layer to a single atom thick, they found to their surprise that the plasmons were still in an excited state – that is, the electrons were vibrating – and that this vibration could propagate freely along the single atom thick channel. This plasmon propagation could be switched on and off by applying an electric voltage, which demonstrates the ability of the channel less than 1nm thick to control the light.
“The impressive results reported in this paper are testimony to the relevance for cutting-edge science of the Flagship work,” said Prof Andrea Ferrari, chair of the Graphene Flagship management panel. “Having read the ultimate limit of light confinement could lead to new devices with unprecedented small dimensions.”
ITALIANO
In una svolta per il calcolo ottico, i ricercatori hanno utilizzato il grafene per confinare la luce allo spazio più piccolo possibile, con una larghezza di un atomo.
Confinare la luce in piccoli spazi è una sfida fondamentale per il calcolo che utilizza la luce piuttosto che la corrente elettrica. Più piccolo è lo spazio in cui un impulso di luce può essere limitato, più compatto può essere un dispositivo che utilizza questa tecnologia, come sensori o laser a nanoscala. Fino ad ora, la luce è stata confinata in uno spazio più piccolo della propria lunghezza d'onda usando i reticoli atomici dei metalli per intrappolare e guidare i fotoni. Ora, i ricercatori della European Graphene Flagship, guidati da un team dell'ICFO (l'Istituto di Scienze Fotoniche di Barcellona), hanno scoperto che questa è un'altra proprietà a cui è possibile accedere usando la forma spessa di carbonio elementare
"Il grafene continua a sorprenderci: nessuno pensava che fosse possibile limitare la luce al limite di un atomo", ha detto il capo della ricerca, il prof. Frank Koppens. In un articolo pubblicato su Science, Koppens e colleghi dell'Università di Minho, in Portogallo, e il MIT descrivono come hanno fabbricato un dispositivo nano-ottico composito a partire da uno strato di grafene, coperto da uno strato isolante di nitruro di boro esagonale, a sua volta sormontato da una serie di barre metalliche. Il grafene è già noto per avere la capacità di guidare la luce sotto forma di plasmoni, che sono oscillazioni di elettroni all'interno della struttura materiale che interagiscono fortemente con la luce.
"All'inizio, stavamo cercando un nuovo modo per eccitare i plasmoni di grafene", ha dichiarato David Alcaraz Iranzo, autore principale del documento scientifico. "Sulla strada, abbiamo scoperto che il confinamento era più forte di prima e le perdite addizionali minime." Questo è un passo in avanti, perché il confinamento usando i reticoli metallici ha sempre portato ad una forte diminuzione dell'energia del polso. "Così abbiamo deciso di andare al limite di un atomo", ha continuato, "con risultati sorprendenti".
Il team ha inviato luce a infrarossi attraverso la pila di dispositivi e ha osservato che il plasmone si propaga tra il metallo e il grafene. Riducendo lo spessore dello strato di nitruro di boro esagonale ad uno spessore di un atomo singolo, hanno scoperto con sorpresa che i plasmoni erano ancora in uno stato eccitato - cioè, gli elettroni stavano vibrando - e che questa vibrazione poteva propagarsi liberamente lungo il canale denso dell'atomo singolo . Questa propagazione del plasmone potrebbe essere attivata e disattivata applicando una tensione elettrica, che dimostra la capacità del canale inferiore a 1nm di spessore di controllare la luce.
"I risultati impressionanti riportati in questo documento testimoniano la rilevanza per la scienza all'avanguardia del lavoro Flagship", ha affermato il prof. Andrea Ferrari, presidente del pannello di gestione Graphene Flagship. "Avendo letto il limite massimo del parto leggero potrebbe portare a nuovi dispositivi dalle dimensioni ridotte senza precedenti".
Da;
https://www.theengineer.co.uk/graphene-breaks-light-confinement-limit/?cmpid=tenews_5064109&utm_medium=email&utm_source=newsletter&utm_campaign=tenews&adg=B69ABBDE-DA23-4BA2-B8C3-86E1E1A9FA79
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