När ett flygplan börjar röra sig snabbare än ljudets hastighet, det skapar en chockvåg som producerar en välkänd "boom" av ljud. Nu, forskare vid MIT och på andra håll har upptäckt en liknande process i ett ark grafen, där ett flöde av elektrisk ström kan, under vissa omständigheter, överstiga hastigheten för det långsamma ljuset och producera en slags optisk "boom":en intensiv, fokuserad ljusstråle.

Detta helt nya sätt att omvandla elektricitet till synlig strålning är mycket kontrollerbart, snabb, och effektiv, forskarna säger, och kan leda till en mängd olika nya tillämpningar. Arbetet redovisas idag i tidskriften Naturkommunikation , i en artikel av två MIT-professorer – Marin Soljačić, professor i fysik; och John Joannopoulos, Francis Wright Davis professor i fysik – liksom postdoc Ido Kaminer, och sex andra i Israel, Kroatien, och Singapore.

Det nya fyndet startade från en spännande observation. Forskarna fann att när ljus träffar ett ark grafen, som är en tvådimensionell form av grundämnet kol, den kan sakta ner med en faktor på några hundra. Den där dramatiska nedgången, de märkte, presenterade ett intressant sammanträffande. Den reducerade hastigheten för fotoner (ljuspartiklar) som rörde sig genom arket av grafen råkade vara mycket nära elektronernas hastighet när de rörde sig genom samma material.

"Grafen har den här förmågan att fånga ljus, i lägen vi kallar ytplasmoner, " förklarar Kaminer, vem är tidningens huvudförfattare. Plasmoner är en slags virtuell partikel som representerar elektronernas oscillationer på ytan. Hastigheten för dessa plasmoner genom grafen är "några hundra gånger långsammare än ljus i fritt utrymme, " han säger.

Denna effekt passade ihop med en annan av grafenens exceptionella egenskaper:elektroner passerar genom den med mycket höga hastigheter, upp till en miljon meter per sekund, eller ungefär 1/300 ljusets hastighet i vakuum. Det innebar att de två hastigheterna var tillräckligt lika för att betydande interaktioner skulle kunna inträffa mellan de två typerna av partiklar, om materialet kunde trimmas för att få hastigheterna att matcha.

Den kombinationen av egenskaper - att sakta ner ljus och låta elektroner röra sig mycket snabbt - är "en av de ovanliga egenskaperna hos grafen, " säger Soljačić. Det antydde möjligheten att använda grafen för att producera den motsatta effekten:att producera ljus istället för att fånga det. "Vårt teoretiska arbete visar att detta kan leda till ett nytt sätt att generera ljus, " han säger.

Specifikt, han förklarar, "Denna omvandling är möjlig eftersom den elektroniska hastigheten kan närma sig ljushastigheten i grafen, bryta 'ljusbarriären'." Precis som att bryta ljudbarriären genererar en stötvåg av ljud, han säger, "När det gäller grafen, detta leder till emission av en chockvåg av ljus, fångad i två dimensioner."

Fenomenet som laget har utnyttjat kallas Čerenkov-effekten, beskrevs för första gången för 80 år sedan av den sovjetiske fysikern Pavel Čerenkov. Vanligtvis förknippad med astronomiska fenomen och utnyttjas som ett sätt att upptäcka ultrasnabba kosmiska partiklar när de susar genom universum, och även för att upptäcka partiklar som härrör från högenergikollisioner i partikelacceleratorer, effekten hade inte ansetts vara relevant för Earthbound-tekniken eftersom den bara fungerar när objekt rör sig nära ljusets hastighet. Men avmattningen av ljuset inuti ett grafenark gav möjligheten att utnyttja denna effekt i en praktisk form, säger forskarna.

Det finns många olika sätt att omvandla elektricitet till ljus – från de uppvärmda volframfilamenten som Thomas Edison fulländade för mer än ett sekel sedan, till lysrör, till de ljusemitterande dioderna (LED) som driver många bildskärmar och vinner fördel för hushållsbelysning. Men detta nya plasmonbaserade tillvägagångssätt kan så småningom bli en del av effektivare, mer kompakt, snabbare, och fler inställbara alternativ för vissa applikationer, säger forskarna.

Kanske viktigast, detta är ett sätt att effektivt och kontrollerbart generera plasmoner i en skala som är kompatibel med dagens mikrochipteknologi. Sådana grafenbaserade system kan potentiellt vara nyckelkomponenter på chipet för att skapa nya, ljusbaserade kretsar, som anses vara en viktig ny riktning i utvecklingen av datorteknik mot allt mindre och effektivare enheter.

"Om du vill göra alla typer av signalbehandlingsproblem på ett chip, du vill ha en mycket snabb signal, och även att kunna arbeta i mycket små skalor, " säger Kaminer. Datorchips har redan reducerat elektronikens skala till den grad att tekniken stöter på några grundläggande fysiska gränser, så "du måste gå in i en annan regim av elektromagnetism, " säger han. Att använda ljus istället för strömmande elektroner som grund för att flytta och lagra data har potential att driva arbetshastigheterna "sex storleksordningar högre än vad som används inom elektronik, "Kaminer säger - med andra ord, i princip upp till en miljon gånger snabbare.

Ett problem för forskare som försöker utveckla optiskt baserade chips, han säger, är att medan elektricitet lätt kan begränsas inom ledningar, ljuset tenderar att spridas ut. Inuti ett lager av grafen, dock, under rätt förutsättningar, strålarna är mycket väl begränsade.

"Det finns mycket spänning över grafen, " säger Soljačić, "eftersom den lätt kan integreras med annan elektronik" vilket möjliggör dess potentiella användning som en on-chip ljuskälla. Än så länge, arbetet är teoretiskt, han säger, så nästa steg blir att skapa fungerande versioner av systemet för att bevisa konceptet. "Jag har förtroende för att det borde vara genomförbart inom ett till två år, ", säger han. Nästa steg skulle då vara att optimera systemet för största effektivitet.

Detta fynd "är ett verkligt innovativt koncept som har potential att vara nyckeln till att lösa det långvariga problemet med att uppnå högeffektiv och ultrasnabb elektrisk-till-optisk signalomvandling i nanoskala, " säger Jorge Bravo-Abad, en biträdande professor vid det autonoma universitetet i Madrid, i Spanien, som inte var involverad i detta arbete.

Dessutom, Bravo-Abad säger, "det nya exemplet på Čerenkov-emission som upptäcktes av författarna till detta arbete öppnar helt nya möjligheter för studiet av Čerenkov-effekten i nanoskalasystem, utan behov av sofistikerade experimentupplägg. Jag ser fram emot att se den betydande inverkan och implikationerna som dessa fynd säkert kommer att ha i gränssnittet mellan fysik och nanoteknik."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.