(PhysOrg.com) -- Wetenschappers van de Universiteit van Californië, Berkeley, hebben een nieuwe technologie voor grafeen gedemonstreerd die de huidige snelheidslimieten in digitale communicatie zou kunnen doorbreken.

Het team van onderzoekers, onder leiding van UC Berkeley engineering professor Xiang Zhang, bouwde een klein optisch apparaat dat grafeen gebruikt, een één atoom dikke laag gekristalliseerde koolstof, licht aan en uit te schakelen. Dit schakelvermogen is het fundamentele kenmerk van een netwerkmodulator, die de snelheid regelt waarmee datapakketten worden verzonden. Hoe sneller de datapulsen worden verzonden, hoe groter de hoeveelheid informatie die kan worden verzonden. Op grafeen gebaseerde modulatoren kunnen consumenten binnenkort in staat stellen volledige, hoge kwaliteit, 3D-films op een smartphone in een kwestie van seconden, aldus de onderzoekers.

"Dit is 's werelds kleinste optische modulator, en de modulator in datacommunicatie is het hart van snelheidsregeling, " zei Zhang, die een National Science Foundation (NSF) Nanoscale Science and Engineering Center leidt aan UC Berkeley. "Grafeen stelt ons in staat modulatoren te maken die ongelooflijk compact zijn en potentieel presteren met snelheden tot tien keer sneller dan de huidige technologie toelaat. Deze nieuwe technologie zal onze mogelijkheden op het gebied van ultrasnelle optische communicatie en computergebruik aanzienlijk verbeteren."

In dit nieuwste werk beschreven in de geavanceerde online publicatie van het tijdschrift van 8 mei Natuur , onderzoekers waren in staat om het grafeen elektrisch af te stemmen om licht te absorberen in golflengten die worden gebruikt in datacommunicatie. Deze vooruitgang voegt nog een ander voordeel toe aan grafeen, dat sinds 2004 een reputatie heeft opgebouwd als wondermateriaal, toen het voor het eerst werd gewonnen uit grafiet, hetzelfde element in potlood. Die prestatie leverde de wetenschappers van de Universiteit van Manchester, Andre Geim en Konstantin Novoselov, vorig jaar de Nobelprijs voor de natuurkunde op.

Zhang werkte samen met collega-faculteitslid Feng Wang, een assistent-professor natuurkunde en hoofd van de Ultrafast Nano-Optics Group aan UC Berkeley. Zowel Zhang als Wang zijn faculteitswetenschappers van de Materials Science Division van het Lawrence Berkeley National Laboratory.

"De impact van deze technologie zal verstrekkend zijn, " zei Wang. "Naast snelle operaties, op grafeen gebaseerde modulatoren kunnen leiden tot onconventionele toepassingen vanwege de flexibiliteit van grafeen en de gemakkelijke integratie met verschillende soorten materialen. Grafeen kan ook worden gebruikt om nieuwe frequentiebereiken te moduleren, zoals mid-infrarood licht, die veel worden gebruikt in moleculaire detectie."

Grafeen is het dunste, sterkste kristallijne materiaal tot nu toe bekend. Het kan worden uitgerekt als rubber, en het heeft als bijkomend voordeel dat het een uitstekende geleider van warmte en elektriciteit is. Deze laatste kwaliteit van grafeen maakt het een bijzonder aantrekkelijk materiaal voor elektronica.

"Grafeen is compatibel met siliciumtechnologie en is erg goedkoop om te maken, " zei Ming Liu, postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Zhang en co-hoofdauteur van de studie. "Onderzoekers in Korea hebben er vorig jaar al 30-inch vellen van gemaakt. er is heel weinig grafeen nodig voor gebruik als modulator. Het grafiet in een potlood kan genoeg grafeen leveren om 1 miljard optische modulatoren te fabriceren."

Het is het gedrag van fotonen en elektronen in grafeen dat voor het eerst de aandacht trok van de onderzoekers van UC Berkeley.

De onderzoekers ontdekten dat de energie van de elektronen, aangeduid als het Fermi-niveau, kan gemakkelijk worden gewijzigd, afhankelijk van de spanning die op het materiaal wordt toegepast. Het Fermi-niveau van grafeen bepaalt op zijn beurt of het licht wordt geabsorbeerd of niet.

Wanneer een voldoende negatieve spanning wordt toegepast, elektronen worden uit het grafeen getrokken en zijn niet langer beschikbaar om fotonen te absorberen. Het licht wordt "aangezet" omdat het grafeen volledig transparant wordt als de fotonen er doorheen gaan.

Grafeen is ook transparant bij bepaalde positieve spanningen omdat, in die situatie, de elektronen raken zo dicht opeengepakt dat ze de fotonen niet kunnen absorberen.

De onderzoekers vonden een sweet spot in het midden waar net genoeg spanning staat zodat de elektronen kunnen voorkomen dat de fotonen passeren, het licht effectief "uit" schakelen.

"Als grafeen een gang was, en elektronen waren mensen, dat zou je kunnen zeggen, als de zaal leeg is, er is niemand in de buurt om de fotonen te stoppen, " zei Xiaobo Yin, co-hoofdauteur van de Nature-paper en een onderzoekswetenschapper in het laboratorium van Zhang. "In het andere uiterste als de zaal te vol is, mensen kunnen niet bewegen en zijn niet effectief in het blokkeren van de fotonen. Het is tussen deze twee scenario's dat de elektronen mogen interageren met en de fotonen absorberen, en het grafeen wordt ondoorzichtig."

In hun experiment hebben de onderzoekers legden grafeen bovenop een siliciumgolfgeleider om optische modulatoren te fabriceren. De onderzoekers wisten een modulatiesnelheid van 1 gigahertz te behalen, maar ze merkten op dat de snelheid theoretisch zo hoog zou kunnen zijn als 500 gigahertz voor een enkele modulator.

Hoewel componenten op basis van optica veel voordelen hebben ten opzichte van componenten die elektriciteit gebruiken, inclusief de mogelijkheid om snellere pakketten met gegevens te vervoeren, pogingen om optische verbindingen te maken die netjes op een computerchip passen, worden bemoeilijkt door de relatief grote hoeveelheid ruimte die nodig is in fotonica.

Lichtgolven zijn minder wendbaar in krappe ruimtes dan hun elektrische tegenhangers, merkten de onderzoekers op, dus op fotonen gebaseerde toepassingen zijn voornamelijk beperkt tot grootschalige apparaten, zoals glasvezelkabels.

"Elektronen kunnen gemakkelijk een L-vormige draai maken omdat de golflengten waarin ze opereren klein zijn, " zei Zhang. "Lichtgolflengten zijn over het algemeen groter, dus ze hebben meer ruimte nodig om te manoeuvreren. Het is alsof je een lange, stretch limo in plaats van een motor om de hoek. Daarom hebben optica grote spiegels nodig om hun bewegingen te controleren. Het verkleinen van het optische apparaat maakt het ook sneller omdat de enkele atomaire laag grafeen de capaciteit aanzienlijk kan verminderen - het vermogen om een ​​elektrische lading vast te houden - wat vaak de snelheid van het apparaat belemmert."

Op grafeen gebaseerde modulatoren kunnen de ruimtebarrière van optische apparaten overwinnen, aldus de onderzoekers. Ze hebben met succes een op grafeen gebaseerde optische modulator gekrompen tot een relatief kleine 25 vierkante micron, een grootte die ongeveer 400 keer kleiner is dan een mensenhaar. De voetafdruk van een typische commerciële modulator kan oplopen tot enkele vierkante millimeters.

Zelfs op zo'n klein formaat, grafeen biedt veel bandbreedte. Grafeen kan een breed spectrum aan licht absorberen, variërend over duizenden nanometers van ultraviolet tot infrarode golflengten. Hierdoor kan grafeen meer gegevens bevatten dan de huidige state-of-the-art modulatoren, die werken met een bandbreedte tot 10 nanometer, aldus de onderzoekers.

"Modulatoren op basis van grafeen bieden niet alleen een verhoging van de modulatiesnelheid, ze kunnen grotere hoeveelheden gegevens mogelijk maken die in elke puls zijn verpakt, " zei Zhang. "In plaats van breedband, we zullen 'extremeband' hebben. Wat we hier en in de toekomst zien met op grafeen gebaseerde modulatoren zijn enorme verbeteringen, niet alleen in consumentenelektronica, maar op elk gebied dat nu wordt beperkt door datatransmissiesnelheden, inclusief bio-informatica en weersvoorspellingen. We hopen de komende jaren industriële toepassingen van dit nieuwe apparaat te zien."