Halvledare har revolutionerat datoranvändningen på grund av deras effektiva kontroll över flödet av elektriska strömmar på ett enda chip, vilket har lett till enheter som transistorn. Arbetar mot en liknande inställbar funktionalitet för ljus, forskare från A*STAR Institute of High Performance Computing (IHPC), Singapore, har visat hur grafen kan användas för att styra ljus i nanometerskala, främja konceptet med fotoniska kretsar på chips.

Grafen, som är gjord av ett enda lager av kolatomer, har utmärkta elektroniska egenskaper; några av dessa är också användbara i fotoniska tillämpningar. Vanligtvis, endast metaller kan begränsa ljus till storleksordningen några nanometer, som är mycket mindre än ljusets våglängd. På ytan av metaller, kollektiva svängningar av elektroner, så kallade 'ytplasmoner', fungerar som kraftfulla antenner som begränsar ljus till mycket små utrymmen. Grafen, med sin höga elektriska ledningsförmåga, visar liknande beteende som metaller så kan också användas för plasmonbaserade applikationer, förklarar Choon How Gan från IHPC, som ledde forskningen.

Gan och medarbetare studerade teoretiskt och beräkningsmässigt hur ytplasmoner färdas längs grafenark. Även om grafen är en sämre ledare än en metall, så förlusten av plasmonförökning är högre, det har flera viktiga fördelar, säger teammedlem Hong Son Chu. "Den viktigaste fördelen som gör grafen till en utmärkt plattform för plasmoniska enheter är dess stora avstämningsförmåga som inte kan ses i de vanliga ädelmetallerna, " förklarar han. "Denna inställning kan uppnås på olika sätt, använder elektriska eller magnetiska fält, optiska triggers och temperatur. "

Teamets beräkningar indikerade att ytplasmoner som fortplantar sig längs ett ark av grafen skulle vara mycket mer begränsade till ett litet utrymme än de skulle resa längs en guldyta (se bild). Dock, teamet visade också att ytplasmoner skulle färdas mycket bättre mellan två ark grafen som kommer i nära kontakt. Vidare, genom att justera designparametrar som avståndet mellan arken, såväl som deras elektriska ledningsförmåga, mycket bättre kontroll över ytplasmonegenskaper är möjlig.

I framtiden, Gan och hans medarbetare planerar att undersöka dessa egenskaper för applikationer. "Vi kommer att utforska potentialen hos grafenplasmoniska enheter även för terahertz- och mellaninfraröda regim, " förklarar han. "I detta spektralområde, grafen plasmoniska strukturer kan vara lovande för tillämpningar som molekylär avkänning, som fotodetektorer, eller för optiska enheter som kan växla och modulera ljus. "