Um dos principais requisitos das futuras tecnologias de comunicação óptica é uma fonte de luz em nanoescala capaz de emitir pulsos de luz ultrarrápidos. Em um novo estudo, pesquisadores mostraram que o grafeno pode ser um candidato ideal para tal fonte de luz, demonstrando dispositivos baseados em grafeno que emitem pulsos de luz com uma largura de banda de até 10 GHz e durações de pulso de menos de 100 picossegundos (ou 10 bilhões de pulsos por segundo).

Os pesquisadores, incluindo o autor principal Young Duck Kim na Kyung Hee University na Coreia do Sul, Professor James Hone da Universidade de Columbia, e seus co-autores, publicaram um artigo sobre os emissores de luz à base de grafeno em uma edição recente da Nano Letras .

"O grafeno é um importante material emergente na nanofotônica:um trabalho recente demonstrou fotodetectores de alta velocidade e moduladores ópticos baseados em grafeno, "Kim disse Phys.org . "Este trabalho adiciona emissão de luz à caixa de ferramentas de dispositivos fotônicos ultrarrápidos baseados em grafeno."

Como explicam os físicos, o grafeno tem várias propriedades que o tornam um candidato promissor como emissor de luz ultrarrápido, incluindo uma alta estabilidade térmica e baixa capacidade de calor. Pesquisas anteriores demonstraram que dispositivos baseados em grafeno podem emitir luz nas faixas infravermelha e visível, embora o desafio de habilitar a modulação rápida liga-desliga prática ainda permaneça. Os pesquisadores explicam que, para fazer isso, um projeto de dispositivo suportado por substrato com condução de calor eficiente é necessário para permitir o resfriamento rápido entre os pulsos.

Para atender a essa necessidade, no novo artigo, os pesquisadores encapsularam o grafeno em nitreto de boro hexagonal (hBN). Eles demonstraram que o encapsulamento permite que o grafeno alcance temperaturas altas o suficiente para emitir luz brilhante na faixa do visível e próximo ao infravermelho, com boa estabilidade (vida útil estimada do dispositivo de pelo menos 4 anos), e resfriamento rápido. Como resultado, o dispositivo gera pulsos de luz ultrarrápidos com uma duração tão curta quanto 90 picossegundos e uma taxa de modulação que é várias ordens de magnitude mais rápida do que os emissores térmicos convencionais.

Os físicos explicam que a alta velocidade provavelmente ocorre porque existem dois tipos diferentes de fônons (ópticos e acústicos), e os elétrons no grafeno são fortemente acoplados aos fônons ópticos, mas fracamente acoplados aos fônons acústicos. Outro trabalho recente mostrou que elétrons e fônons ópticos formam modos híbridos na interface grafeno-hBN conhecida como polaritons plasmon-fônon, que fornecem transferência de calor de campo próximo altamente eficiente. Juntos, o acoplamento de fônon acústico fraco e o relaxamento eletrônico direto em hBN permitem o resfriamento a uma velocidade muito mais rápida do que o necessário para transferir calor para fora do sistema por condução, que permite altas velocidades de modulação.

Os pesquisadores esperam que os emissores de luz de grafeno ultrarrápidos tenham aplicações potenciais além das comunicações ópticas de 100 GHz, estendendo-se para espectroscopia no chip, fotodetectores, e plasmonics. Os dispositivos também podem ser úteis como aquecedores ultrarrápidos para estudar fenômenos como reações químicas e transições de fase. Como uma próxima etapa, os pesquisadores planejam melhorar ainda mais as propriedades de emissão de luz dos dispositivos.

"Pretendemos aumentar a velocidade e a eficiência desses dispositivos, "Hone disse." Nossos cálculos indicam que a velocidade fundamental desses dispositivos deve exceder 100 GHz. No momento, a eficiência energética é baixa, mas existem muitas técnicas que podem ser usadas para aumentar a emissão de luz e reduzir o fluxo de calor, a fim de melhorar a eficiência. "

© 2018 Phys.org