Halfgeleiders hebben een revolutie teweeggebracht in computergebruik vanwege hun efficiënte controle over de stroom van elektrische stromen op een enkele chip, wat heeft geleid tot apparaten zoals de transistor. Werken aan een vergelijkbare afstembare functionaliteit voor licht, onderzoekers van het A*STAR Institute of High Performance Computing (IHPC), Singapore, hebben laten zien hoe grafeen kan worden gebruikt om licht op nanometerschaal te beheersen, het bevorderen van het concept van fotonische circuits op chips.

grafeen, die is gemaakt van een enkele laag koolstofatomen, heeft uitstekende elektronische eigenschappen; sommige hiervan zijn ook nuttig in fotonische toepassingen. Gebruikelijk, alleen metalen kunnen licht beperken tot enkele nanometers, die veel kleiner is dan de golflengte van het licht. Aan het oppervlak van metalen, collectieve oscillaties van elektronen, zogenaamde 'oppervlakteplasmonen', fungeren als krachtige antennes die het licht tot zeer kleine ruimtes beperken. grafeen, met zijn hoge elektrische geleidbaarheid, vertoont vergelijkbaar gedrag als metalen en kan dus ook worden gebruikt voor op plasmon gebaseerde toepassingen, legt Choon How Gan van IHPC uit, die het onderzoek leidde.

Gan en collega's bestudeerden theoretisch en computationeel hoe oppervlakteplasmonen zich langs grafeenplaten verplaatsen. Hoewel grafeen een slechtere geleider is dan een metaal, dus plasmonvoortplantingsverliezen zijn hoger, het heeft een aantal belangrijke voordelen, zegt teamlid Hong Son Chu. "Het belangrijkste voordeel dat grafeen een uitstekend platform voor plasmonische apparaten maakt, is de grote afstembaarheid die niet te zien is in de gebruikelijke edelmetalen, " legt hij uit. "Deze afstembaarheid kan op verschillende manieren worden bereikt, gebruikmakend van elektrische of magnetische velden, optische triggers en temperatuur."

De berekeningen van het team gaven aan dat oppervlakteplasmonen die zich voortplanten langs een vel grafeen veel meer beperkt zouden zijn tot een kleine ruimte dan dat ze langs een gouden oppervlak zouden reizen (zie afbeelding). Echter, het team toonde ook aan dat oppervlakteplasmonen veel beter zouden reizen tussen twee vellen grafeen die in nauw contact waren gebracht. Verder, door ontwerpparameters aan te passen, zoals de scheiding tussen de platen, evenals hun elektrische geleidbaarheid, veel betere controle over oppervlakteplasmoneigenschappen is mogelijk.

In de toekomst, Gan en zijn collega's zijn van plan deze eigenschappen te onderzoeken voor toepassingen. "We zullen het potentieel van grafeenplasmonische apparaten onderzoeken, ook voor het terahertz- en midden-infraroodregime, " legt hij uit. "In dit spectrale bereik, grafeenplasmonstructuren kunnen veelbelovend zijn voor toepassingen zoals moleculaire detectie, als fotodetectoren, of voor optische apparaten die licht kunnen schakelen en moduleren."