Wanneer een vliegtuig sneller begint te bewegen dan de geluidssnelheid, het creëert een schokgolf die een bekende "boom" van geluid produceert. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van MIT en elders hebben een soortgelijk proces ontdekt in een vel grafeen, waarin een stroom van elektrische stroom kan, onder bepaalde omstandigheden, de snelheid van vertraagd licht overschrijden en een soort optische "boem" produceren:een intense, gerichte lichtstraal.

Deze geheel nieuwe manier om elektriciteit om te zetten in zichtbare straling is goed beheersbaar, snel, en efficiënt, zeggen de onderzoekers, en kan leiden tot een breed scala aan nieuwe toepassingen. Het werk wordt vandaag gerapporteerd in het journaal Natuurcommunicatie , in een paper van twee MIT-professoren – Marin Soljačić, hoogleraar natuurkunde; en John Joannopoulos, de Francis Wright Davis hoogleraar natuurkunde, evenals postdoc Ido Kaminer, en zes anderen in Israël, Kroatië, en Singapore.

De nieuwe bevinding begon met een intrigerende observatie. De onderzoekers ontdekten dat wanneer licht op een stuk grafeen valt, wat een tweedimensionale vorm is van het element koolstof, het kan met een factor een paar honderd vertragen. Die dramatische vertraging, ze merkten, presenteerde een interessant toeval. De verminderde snelheid van fotonen (lichtdeeltjes) die door de plaat van grafeen bewegen, was toevallig heel dicht bij de snelheid van elektronen terwijl ze door hetzelfde materiaal bewogen.

"Grafeen heeft dit vermogen om licht op te vangen, in modi die we oppervlakteplasmonen noemen, " legt Kaminer uit, wie is de hoofdauteur van het artikel. Plasmonen zijn een soort virtueel deeltje dat de oscillaties van elektronen op het oppervlak weergeeft. De snelheid van deze plasmonen door het grafeen is "een paar honderd keer langzamer dan licht in de vrije ruimte, " hij zegt.

Dit effect sloot naadloos aan bij een andere uitzonderlijke eigenschap van grafeen:elektronen gaan er met zeer hoge snelheden doorheen, tot een miljoen meter per seconde, of ongeveer 1/300 van de lichtsnelheid in een vacuüm. Dat betekende dat de twee snelheden vergelijkbaar genoeg waren dat er significante interacties zouden kunnen optreden tussen de twee soorten deeltjes, als het materiaal zou kunnen worden afgestemd om de snelheden te laten overeenkomen.

Die combinatie van eigenschappen - licht vertragen en elektronen heel snel laten bewegen - is "een van de ongebruikelijke eigenschappen van grafeen, ", zegt Soljačić. Dat suggereerde de mogelijkheid om grafeen te gebruiken om het tegenovergestelde effect te produceren:om licht te produceren in plaats van het op te sluiten. "Ons theoretische werk laat zien dat dit kan leiden tot een nieuwe manier om licht te genereren, " hij zegt.

specifiek, hij legt uit, "Deze conversie wordt mogelijk gemaakt omdat de elektronische snelheid de lichtsnelheid in grafeen kan benaderen, het doorbreken van de 'lichtbarrière'." Net zoals het doorbreken van de geluidsbarrière een schokgolf van geluid genereert, hij zegt, "In het geval van grafeen, dit leidt tot de emissie van een schokgolf van licht, gevangen in twee dimensies."

Het fenomeen dat het team heeft gebruikt, wordt het Čerenkov-effect genoemd, 80 jaar geleden voor het eerst beschreven door de Sovjet-fysicus Pavel Čerenkov. Meestal geassocieerd met astronomische fenomenen en gebruikt als een manier om ultrasnelle kosmische deeltjes te detecteren terwijl ze door het universum razen, en ook om deeltjes te detecteren die het gevolg zijn van botsingen met hoge energie in deeltjesversnellers, het effect werd niet als relevant beschouwd voor Earthbound-technologie, omdat het alleen werkt als objecten dicht bij de lichtsnelheid bewegen. Maar de vertraging van het licht in een grafeenvel bood de mogelijkheid om dit effect in een praktische vorm te benutten, zeggen de onderzoekers.

Er zijn veel verschillende manieren om elektriciteit om te zetten in licht - van de verwarmde wolfraamfilamenten die Thomas Edison meer dan een eeuw geleden perfectioneerde, naar TL-buizen, tot de light-emitting diodes (LED's) die veel beeldschermen van stroom voorzien en steeds populairder worden voor huishoudelijke verlichting. Maar deze nieuwe op plasma gebaseerde benadering kan uiteindelijk deel uitmaken van efficiëntere, compacter, sneller, en beter afstembare alternatieven voor bepaalde toepassingen, zeggen de onderzoekers.

Misschien wel het belangrijkste, dit is een manier om efficiënt en controleerbaar plasmonen te genereren op een schaal die compatibel is met de huidige microchiptechnologie. Dergelijke op grafeen gebaseerde systemen kunnen mogelijk belangrijke on-chip componenten zijn voor het creëren van nieuwe, op licht gebaseerde circuits, die worden beschouwd als een belangrijke nieuwe richting in de evolutie van computertechnologie naar steeds kleinere en efficiëntere apparaten.

"Als je allerlei signaalverwerkingsproblemen op een chip wilt doen, u een zeer snel signaal wilt hebben, en ook om op zeer kleine schaal te kunnen werken, " zegt Kaminer. Computerchips hebben de schaal van elektronica al teruggebracht tot het punt dat de technologie tegen een aantal fundamentele fysieke limieten aanbotst, dus "je moet naar een ander regime van elektromagnetisme gaan, " zegt hij. Het gebruik van licht in plaats van stromende elektronen als basis voor het verplaatsen en opslaan van gegevens heeft het potentieel om de werksnelheden "zes ordes van grootte hoger te brengen dan wat in de elektronica wordt gebruikt, " Kaminer zegt - met andere woorden, in principe tot een miljoen keer sneller.

Een probleem waarmee onderzoekers worden geconfronteerd die optisch gebaseerde chips proberen te ontwikkelen, hij zegt, is dat terwijl elektriciteit gemakkelijk kan worden opgesloten in draden, licht heeft de neiging zich te verspreiden. In een laag grafeen, echter, onder de juiste voorwaarden, de balken zijn zeer goed opgesloten.

"Er is veel opwinding over grafeen, " zegt Soljačić, "omdat het gemakkelijk kan worden geïntegreerd met andere elektronica", waardoor het mogelijk kan worden gebruikt als een on-chip lichtbron. Tot dusver, het werk is theoretisch, hij zegt, dus de volgende stap zal zijn om werkende versies van het systeem te maken om het concept te bewijzen. "Ik heb er vertrouwen in dat het binnen een tot twee jaar haalbaar moet zijn, " zegt hij. De volgende stap zou dan zijn om het systeem te optimaliseren voor de grootste efficiëntie.

Deze bevinding "is een echt innovatief concept dat het potentieel heeft om de sleutel te zijn tot het oplossen van het al lang bestaande probleem van het bereiken van zeer efficiënte en ultrasnelle elektrische-naar-optische signaalconversie op nanoschaal, " zegt Jorge Bravo-Abad, een assistent-professor aan de Autonome Universiteit van Madrid, in Spanje, die niet bij dit werk betrokken was.

In aanvulling, Bravo-Abad zegt, "het nieuwe exemplaar van Čerenkov-emissie dat door de auteurs van dit werk is ontdekt, opent geheel nieuwe perspectieven voor de studie van het Čerenkov-effect in systemen op nanoschaal, zonder de noodzaak van geavanceerde experimentele opstellingen. Ik kijk ernaar uit om de significante impact en implicaties te zien die deze bevindingen zeker zullen hebben op het grensvlak tussen natuurkunde en nanotechnologie."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.