Físicos do MIPT e da Vladimir State University, Rússia, converteram a energia da luz em ondas de superfície no grafeno com quase 90% de eficiência. Eles contaram com um esquema de conversão de energia semelhante a laser e ressonâncias coletivas. O artigo foi publicado em Resenhas de laser e fotônica .

Manipular a luz em nanoescala é uma tarefa crucial para poder criar dispositivos ultracompactos para conversão e armazenamento de energia óptica. Para localizar a luz em uma escala tão pequena, os pesquisadores convertem a radiação óptica nos chamados polaritons de plasmon de superfície. Esses SPPs são oscilações que se propagam ao longo da interface entre dois materiais com índices de refração drasticamente diferentes - especificamente, um metal e um dielétrico ou ar. Dependendo dos materiais escolhidos, o grau de localização da onda superficial varia. É o mais forte para a luz localizada em um material com apenas uma camada atômica de espessura, porque esses materiais 2-D têm altos índices de refração.

Os esquemas existentes para conversão de luz em SPPs em superfícies 2-D têm uma eficiência de no máximo 10%. É possível melhorar essa figura usando conversores de sinal intermediários - nano-objetos de várias composições químicas e geometrias.

Os conversores intermediários usados ​​no estudo recente em Resenhas de laser e fotônica são pontos quânticos semicondutores com um tamanho de 5 a 100 nanômetros e uma composição semelhante à do semicondutor sólido a partir do qual são fabricados. Dito isto, as propriedades ópticas de um ponto quântico variam consideravelmente com seu tamanho. Então, mudando suas dimensões, os pesquisadores podem ajustá-lo para o comprimento de onda óptico de interesse. Se um conjunto de pontos quânticos de vários tamanhos for iluminado com luz natural, cada ponto responderá a um comprimento de onda específico.

Os pontos quânticos vêm em várias formas - cilindros, pirâmides, esferas, etc. - e diferentes composições químicas. Em seu estudo, a equipe de pesquisadores russos usou pontos quânticos em forma de elipsóide com 40 nanômetros de diâmetro. Os pontos serviram como dispersores posicionados acima da superfície do grafeno, que foi iluminado com luz infravermelha em um comprimento de onda de 1,55 micrômetros. Um buffer dielétrico de vários nanômetros de espessura separou a folha de grafeno dos pontos quânticos.

A ideia de usar um ponto quântico como dispersor não é nova. Alguns dos estudos anteriores de grafeno usaram um arranjo semelhante, com os pontos posicionados acima da folha 2-D e interagindo tanto com a luz quanto com as ondas eletromagnéticas de superfície em um comprimento de onda comum compartilhado pelos dois processos. Isso foi possível pela escolha de um tamanho de ponto quântico que fosse exatamente correto. Embora esse sistema seja bastante fácil de ajustar a uma ressonância, é suscetível à extinção de luminescência - a conversão da energia da luz incidente em calor - bem como à dispersão reversa da luz. Como resultado, a eficiência de geração de SPP não ultrapassou 10%.

"Nós investigamos um esquema em que um ponto quântico posicionado acima do grafeno interage tanto com a luz incidente quanto com a onda eletromagnética de superfície, mas as frequências dessas duas interações são diferentes. O ponto interage com a luz em um comprimento de onda de 1,55 micrômetros e com a superfície de plasmon-polariton a 3,5 micrômetros. Isso é habilitado por um esquema de interação híbrida, "diz o co-autor do estudo Alexei Prokhorov, pesquisador sênior do Centro MIPT de Fotônica e Materiais 2-D, e um professor associado da Universidade Estadual de Vladimir.

A essência do esquema de interação híbrida é que, em vez de usar apenas dois níveis de energia - o superior e o inferior - a configuração também inclui um nível intermediário. Isso é, a equipe usou uma estrutura energética semelhante à do laser. O nível de energia intermediário serve para permitir a forte conexão entre o ponto quântico e a onda eletromagnética de superfície. O ponto quântico sofre excitação no comprimento de onda do laser que o ilumina, enquanto as ondas de superfície são geradas no comprimento de onda determinado pela ressonância de pontos quânticos SPP.

"Trabalhamos com uma variedade de materiais para a fabricação de pontos quânticos, bem como com vários tipos de grafeno, "Prokhorov explicou." Além do grafeno puro, há também o que é chamado de grafeno dopado, que incorpora elementos dos grupos vizinhos na tabela periódica. Dependendo do tipo de doping, o potencial químico do grafeno varia. Otimizamos os parâmetros do ponto quântico - sua química, geometria, bem como o tipo de grafeno, de modo a maximizar a eficiência da conversão da energia da luz em polaritons de plasmon de superfície. Eventualmente, decidimos usar grafeno dopado e antimoneto de índio como o material do ponto quântico. "

Apesar da entrada de energia altamente eficiente no grafeno através do intermediário de ponto quântico, a intensidade das ondas resultantes é extremamente baixa. Portanto, um grande número de pontos deve ser usado em um arranjo específico acima da camada de grafeno. Os pesquisadores tiveram que encontrar precisamente a geometria certa, a distância perfeita entre os pontos para garantir a amplificação do sinal devido ao faseamento dos campos próximos de cada ponto. Em seu estudo, a equipe relata ter descoberto tal geometria e medido um sinal no grafeno que era ordens de magnitude mais poderoso do que pontos quânticos dispostos aleatoriamente. Para seus cálculos subsequentes, os físicos empregaram módulos de software autodesenvolvidos.

A eficiência de conversão calculada do novo esquema proposto é tão alta quanto 90% -95%. Mesmo levando em consideração todos os potenciais fatores negativos que podem afetar esta figura de mérito, ele permanecerá acima de 50% - várias vezes maior do que qualquer outro sistema concorrente.

"Uma grande parte dessa pesquisa se concentra na criação de dispositivos ultracompactos que seriam capazes de converter a energia da luz em plasmon-polaritons de superfície com alta eficiência e em uma escala muito pequena no espaço, registrando assim a energia da luz em alguma estrutura, "disse o diretor do Centro MIPT para Fotônica e Materiais 2-D, Valentyn Volkov, coautor do estudo. "Além disso, você pode acumular polaritons, potencialmente projetando uma bateria ultrafina composta de várias camadas atômicas. É possível usar o efeito em conversores de energia luminosa semelhantes às células solares, mas com uma eficiência várias vezes maior. Outra aplicação promissora tem a ver com a detecção de nano e bioobjetos. "