Een-atoom-dikke vellen koolstof, bekend als grafeen, hebben een reeks elektronische eigenschappen die wetenschappers onderzoeken voor mogelijk gebruik in nieuwe apparaten. De optische eigenschappen van grafeen trekken ook de aandacht, die verder kan toenemen als gevolg van onderzoek van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering (IMRE). Bing Wang van het IMRE en zijn collega's hebben aangetoond dat de interacties van enkele grafeenvellen in bepaalde arrays een efficiënte controle van licht op nanoschaal mogelijk maken.

Licht dat tussen enkele grafeenplaten wordt geperst, kan zich efficiënter voortplanten dan langs een enkele plaat. Wang merkt op dat dit belangrijke toepassingen kan hebben bij optische-nanofocusing en bij superlens-beeldvorming van objecten op nanoschaal. In conventionele optische instrumenten, licht kan alleen worden gecontroleerd door structuren die ongeveer dezelfde schaal hebben als de golflengte, die voor optisch licht veel groter is dan de dikte van grafeen. Door oppervlakteplasmonen te gebruiken, dit zijn collectieve bewegingen van elektronen aan het oppervlak van elektrische geleiders zoals grafeen, wetenschappers kunnen licht focussen tot de grootte van slechts enkele nanometers.

Wang en zijn collega's berekenden de theoretische voortplanting van oppervlakteplasmonen in structuren bestaande uit enkel-atomaire vellen grafeen, gescheiden door een isolatiemateriaal. Voor kleine scheidingen van ongeveer 20 nanometer, ze ontdekten dat de oppervlakteplasmonen in de grafeenplaten zodanig op elkaar inwerkten dat ze 'gekoppeld' werden (zie afbeelding). Deze theoretische koppeling was erg sterk, in tegenstelling tot die in andere materialen, en had grote invloed op de voortplanting van licht tussen de grafeenplaten.

De onderzoekers vonden, bijvoorbeeld, dat optische verliezen werden verminderd, zodat licht zich over langere afstanden kon voortplanten. In aanvulling, onder een bepaalde invalshoek voor het licht, de studie voorspelde dat de breking van de inkomende straal in de tegenovergestelde richting zou gaan van wat normaal wordt waargenomen. Zo'n ongebruikelijke negatieve breking kan leiden tot opmerkelijke effecten zoals superlensing, waarmee beeldvorming met een bijna onbeperkte resolutie mogelijk is.

Aangezien grafeen een halfgeleider is en geen metaal, het biedt veel meer mogelijkheden dan de meeste andere plasmonische apparaten, zegt Jing Hua Teng van IMRE, die het onderzoek leidde. "Deze grafeen-sheetarrays kunnen leiden tot dynamisch bestuurbare apparaten, dankzij de eenvoudigere afstemming van de eigenschappen van grafeen door externe stimuli zoals elektrische spanningen." Grafeen zorgt ook voor een efficiënte koppeling van de plasmonen met andere objecten in de buurt, zoals moleculen die op het oppervlak worden geadsorbeerd. Teng zegt daarom dat de volgende stap is om de interessante fysica in grafeenarraystructuren verder te onderzoeken en hun onmiddellijke toepassingen te onderzoeken.