(Phys.org) -Het omdraaien van een lichtschakelaar - een lichtschakelaar op nanoschaal - kan op een dag de snelheid van gegevensoverdracht drastisch verhogen, van het streamen van films tot het versnellen van de meest data-intensieve berekeningen. Vandaag, informatiestroom in een computer is gebaseerd op elektrische pulsen. Maar als een elektrisch signaal in plaats daarvan een lichtschakelaar zou kunnen besturen, de "enen en nullen" die gegevens betekenis geven, kunnen met tien keer de huidige snelheid door computercircuits racen. Een tienvoudige toename van de snelheid zou een vergelijkbare piek betekenen in de hoeveelheid informatie die kan worden verwerkt.

Natuurlijk, elektrische signalen worden gebruikt om het licht in de optische vezels te moduleren die enorme hoeveelheden gegevens om de hoek en over de hele wereld verzenden. Maar het gebruik van licht om de communicatie tussen chips binnen een computercircuit te stimuleren, is een ongrijpbaar doel gebleken. Op de schaal van computercircuits, materialen zoals silicium kunnen licht niet efficiënt absorberen, en apparaten die goed kunnen presteren, zijn te omvangrijk om in een chip te integreren.

Dus opwinding loopt hoog op dat grafeen, een materiaal dat slechts tien jaar intensief is bestudeerd, zou de truc kunnen doen. Enkele atoomdikke koolstofgrafeenkristallen absorberen alle golflengten van licht, en bij bepaalde spanningen, elektrische pulsen kunnen de lichtabsorptie van het materiaal in- en uitschakelen - de sleutel tot gegevensoverdracht. Deze eigenschap en de nanogrootte "voetafdruk" van grafeen maken het een ideale kandidaat voor ultraminiatuur optische apparaten die met duizenden op een chip kunnen worden geïnstalleerd om de verkeersstroom te regelen.

"We zijn er nog niet, " zegt Feng Wang, assistent-professor natuurkunde en een Bakar Fellow, "maar de opmerkelijke combinatie van elektrische en optische eigenschappen van grafeen, en het potentieel voor nanofabricage is veelbelovend voor opto-elektronica."

Wangs lab bestudeert hoe elektrische velden de optische eigenschappen van een aantal materialen moduleren. Het Bakar Fellows-programma ondersteunt zijn inspanningen om grafeenmodulatoren te ontwikkelen voor chip-to-chip-communicatie. Omdat hij fotonen manipuleert, hij kan veel van het onderzoek onder een optische microscoop doen. Bij deze relatief lage vergroting een grafeenlaag ziet eruit als een doorlopende dunne laag. Maar onder de kracht van een scanning tunneling microscoop die individuele atomen kan oplossen, de kippengaasachtige atomaire configuratie van het materiaal verschijnt.

Wang groeide op in Nanchang in het zuiden van China en ging naar de universiteit in Shanghai. Hij promoveerde in de natuurkunde aan Columbia en was een postdoc in Berkeley voordat hij bij de natuurkundefaculteit kwam. Zijn focus op het potentieel van grafeen om de chip-to-chip-prestaties in computercircuits te verbeteren, begon ongeveer zes jaar geleden. Daarvoor, hij bestudeerde koolstofnanobuisjes, een eendimensionaal koolstofmateriaal.

"Ons lab richt zich voornamelijk op de fundamentele fysica van hoe licht op nanoschaal interageert met materialen, en welke nieuwe eigenschappen ontstaan, ", zegt Wang. Dit fascineert me enorm.

"Maar het verkennen van manieren om sommige van deze nieuwe gedragingen in de micro-elektronica te exploiteren, is net zo opwindend. Het basisonderzoek kan toepassingen in de echte wereld onthullen. Het is een geweldige combinatie."

Aan de horizon, Wang kan grafeen zien geïntegreerd in infraroodcamera's en optische sensoren, en mogelijk wordt gebruikt om veelbetekenende veranderingen in zieke cellen te detecteren. Metabolisme verandert de pH, of zuurgraad, van cellen, en snel metaboliserende kankercellen hebben verschillende metabole handtekeningen. Lokale pH-variaties, beurtelings, de optische absorptie-eigenschappen van grafeen veranderen. Dit kan worden gemeten om te helpen bij de diagnose.

evenzo, grafeen kan op een dag helpen bij het opsporen van neurologische aandoeningen. Neuronen communiceren met pulsen van ionen - hun zogenaamde "actiepotentiaal" - en het vrijkomen van ionen veranderde de optische absorptie van grafeen. Een dergelijke verandering in grafeen kan mogelijk worden gebruikt om neuronactiviteit te detecteren.

Deze toepassingen zijn ver weg, Wang zegt, hoewel helemaal niet uitgesloten. Voor nu, hij lijkt volledig geabsorbeerd door de fysica van dit werkelijk absorberende nanomateriaal.