Os pesquisadores demonstraram que uma voltagem DC aplicada a camadas de grafeno e nitreto de boro pode ser usada para controlar a emissão de luz de um átomo próximo. Aqui, o grafeno é representado por uma camada superior de cor marrom; o nitreto de boro é representado por retículos amarelo-esverdeados abaixo do grafeno; e o átomo é representado por um círculo cinza. Uma baixa concentração de voltagem DC (em azul) permite que a luz se propague dentro do nitreto de boro, formando um guia de onda fortemente confinado para sinais ópticos. Crédito:Anshuman Kumar Srivastava e Jose Luis Olivares / MIT
Os pesquisadores descobriram uma maneira de acoplar as propriedades de diferentes materiais bidimensionais para fornecer um grau excepcional de controle sobre as ondas de luz. Eles dizem que isso tem o potencial de levar a novos tipos de detecção de luz, sistemas de gerenciamento térmico, e dispositivos de imagem de alta resolução.
As novas descobertas - usando uma camada de grafeno de um átomo de espessura depositado no topo de uma camada 2-D semelhante de um material chamado nitreto de boro hexagonal (hBN) - foram publicadas no jornal Nano Letras . O trabalho é co-autoria do professor associado de engenharia mecânica Nicholas Fang do MIT e do estudante de pós-graduação Anshuman Kumar, e seus co-autores no T.J. da IBM Watson Research Center, Universidade Politécnica de Hong Kong, e a Universidade de Minnesota.
Embora os dois materiais sejam estruturalmente semelhantes - ambos compostos de arranjos hexagonais de átomos que formam folhas bidimensionais - cada um deles interage com a luz de maneira bastante diferente. Mas os pesquisadores descobriram que essas interações podem ser complementares, e pode acoplar-se de maneiras que proporcionam um grande controle sobre o comportamento da luz.
O material híbrido bloqueia a luz quando uma determinada voltagem é aplicada ao grafeno, ao mesmo tempo que permite um tipo especial de emissão e propagação, chamado de "hiperbolicidade, "quando uma tensão diferente é aplicada, um fenômeno nunca visto antes em sistemas ópticos, Fang diz. Uma das consequências desse comportamento incomum é que uma folha de material extremamente fina pode interagir fortemente com a luz, permitindo que os feixes sejam guiados, afunilado, e controlado por tensões aplicadas à folha.
"Isso representa uma nova oportunidade de enviar e receber luz em um espaço muito confinado, "Fang diz, e pode levar a "um material óptico exclusivo com grande potencial para interconexões ópticas". Muitos pesquisadores veem a interconexão aprimorada de componentes ópticos e eletrônicos como um caminho para sistemas de computação e imagem mais eficientes.
Uma concentração maior de carga elétrica no grafeno (em vermelho) "repele" a luz que vem do átomo. Crédito:Anshuman Kumar Srivastava e Jose Luis Olivares / MIT
A interação da luz com o grafeno produz partículas chamadas plasmons, enquanto a luz interagindo com hBN produz fônons. Fang e seus colegas descobriram que quando os materiais são combinados de uma certa maneira, os plasmons e fônons podem se acoplar, produzindo uma forte ressonância.
As propriedades do grafeno permitem um controle preciso sobre a luz, enquanto hBN fornece confinamento muito forte e orientação da luz. A combinação dos dois possibilita a criação de novos "metamateriais" que combinam as vantagens de ambos, dizem os pesquisadores.
Phaedon Avouris, pesquisador da IBM e co-autor do artigo, diz, "A combinação desses dois materiais proporciona um sistema único que permite a manipulação de processos ópticos."
Os materiais combinados criam um sistema sintonizado que pode ser ajustado para permitir que a luz apenas de certos comprimentos de onda ou direções específicas se propaguem, eles dizem. "Podemos começar a escolher seletivamente algumas frequências [para deixar passar], e rejeitar alguns, "Kumar diz.
Essas propriedades devem possibilitar, Fang diz, para criar guias de ondas ópticas minúsculas, cerca de 20 nanômetros de tamanho - a mesma faixa de tamanho que os menores recursos que agora podem ser produzidos em microchips. Isso pode levar a chips que combinam componentes ópticos e eletrônicos em um único dispositivo, com perdas muito menores do que quando tais dispositivos são feitos separadamente e, em seguida, interconectados, eles dizem.
Co-autor Tony Low, um pesquisador da IBM e da Universidade de Minnesota, diz, "Nosso trabalho abre caminho para o uso de heteroestruturas de materiais 2-D para a engenharia de novas propriedades ópticas sob demanda."
Outra aplicação potencial, Fang diz, vem da capacidade de ligar e desligar um feixe de luz na superfície do material; porque o material funciona naturalmente em comprimentos de onda do infravermelho próximo, isso poderia permitir novos caminhos para a espectroscopia infravermelha, ele diz. "Pode até permitir a resolução de uma única molécula, "Fang diz, de biomoléculas colocadas na superfície do material híbrido.
Sheng Shen, um professor assistente de engenharia mecânica na Carnegie Mellon University que não estava envolvido nesta pesquisa, diz, "Este trabalho representa um progresso significativo na compreensão das interações sintonizáveis da luz no grafeno-hBN." O trabalho é "bastante crítico" para fornecer o entendimento necessário para desenvolver dispositivos optoeletrônicos ou fotônicos baseados em grafeno e hBN, ele diz, e "poderia fornecer orientação teórica direta sobre o projeto de tais tipos de dispositivos. ... Pessoalmente, estou muito animado com este novo trabalho teórico."
Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.
