In het hart van lasers, beeldschermen en andere lichtemitterende apparaten ligt de emissie van fotonen. Elektrisch gestuurde modulatie van deze emissie is van groot belang in toepassingen zoals optische communicatie, sensoren en displays. Bovendien, elektrische controle van de lichtemissieroutes opent de mogelijkheid van nieuwe soorten nano-fotonica-apparaten, gebaseerd op actieve plasmonics.

Wetenschappers van ICFO, MIT, CNRS, CNISM en Graphenea hebben nu actieve, in-situ elektrische controle van de energiestroom van erbiumionen naar fotonen en plasmonen. Het experiment werd uitgevoerd door de erbiumstralers op enkele tientallen nanometers van de grafeenplaat te plaatsen, waarvan de dragerdichtheid (Fermi-energie) elektrisch wordt geregeld. Gedeeltelijk gefinancierd door het EC Graphene Flagship, deze studie getiteld "Elektrische controle van optische emitter-relaxatiepaden mogelijk gemaakt door grafeen", is gepubliceerd in Natuurfysica .

Erbium-ionen worden hoofdzakelijk gebruikt voor optische versterkers en zenden licht uit met een golflengte van 1,5 micrometer, het zogenaamde derde telecomvenster. Dit is een belangrijk venster voor optische telecommunicatie omdat er zeer weinig energieverlies is in dit bereik, en dus zeer efficiënte informatieoverdracht.

De studie heeft aangetoond dat de energiestroom van erbium naar fotonen of plasmonen eenvoudig kan worden gecontroleerd door een kleine elektrische spanning aan te leggen. De plasmonen in grafeen zijn vrij uniek, omdat ze zeer sterk zijn opgesloten, met een plasmongolflengte die twee ordes van grootte kleiner is dan de golflengte van de uitgezonden fotonen. Naarmate de Fermi-energie van de grafeenplaat geleidelijk werd verhoogd, de erbiumstralers gingen van opwindende elektronen in de grafeenplaat, om fotonen of plasmonen uit te zenden. De experimenten onthulden de lang gezochte grafeenplasmonen op nabij-infraroodfrequenties, relevant zijn voor deze telecommunicatietoepassingen. In aanvulling, de sterke concentratie van optische energie biedt nieuwe mogelijkheden voor dataopslag en manipulatie via actieve plasmonische netwerken.

Frank Koppens merkte op:"Dit werk toont aan dat elektrische controle van licht op nanometerschaal mogelijk en efficiënt is, dankzij de opto-elektronische eigenschappen van grafeen."