(Phys.org) – Vändningen av en ljusströmbrytare – en ljusströmbrytare i nanoskala – kan en dag dramatiskt öka hastigheten på dataöverföring, från strömmande filmer till att accelerera den mest dataintensiva beräkningen. I dag, informationsflödet i en dator är baserat på elektriska pulser. Men om en elektrisk signal istället kunde styra en ljusströmbrytare, "ettor och nollor" som ger data mening kan rasa genom datorkretsar med tio gånger den nuvarande hastigheten. En tiofaldig ökning av hastigheten skulle innebära en liknande ökning av mängden information som kan bearbetas.

Självklart, elektriska signaler används för att modulera ljus i de optiska fibrerna som överför enorma mängder data runt hörnet och runt om i världen. Men att utnyttja ljus för att öka kommunikationen mellan chips i en datorkrets har visat sig vara ett svårfångat mål. På skalan av datorkretsar, material som kisel kan inte absorbera ljus effektivt, och enheter som kan prestera bra är för skrymmande för att integreras i ett chip.

Så spänningen är hög att grafen, ett material under intensiv studie under bara ett decennium, kan göra susen. Enatomtjocka kolgrafenkristaller absorberar ljusets alla våglängder, och vid vissa spänningar, elektriska pulser kan slå på och av materialets ljusabsorption – nyckeln till dataöverföring. Denna egenskap och grafens "fotavtryck" i nanostorlek gör den till en idealisk kandidat för optiska enheter i ultraminiatyr som skulle kunna installeras i tusental på ett chip för att kontrollera trafikflödet.

"Vi är inte där än, " säger Feng Wang, biträdande professor i fysik och en Bakar Fellow, "men grafens anmärkningsvärda kombination av elektriska och optiska egenskaper, och dess potential för nanotillverkning lovar mycket för optoelektronik."

Wangs labb studerar hur elektriska fält modulerar de optiska egenskaperna hos ett antal material. Bakar Fellows-programmet stöder hans ansträngningar att utveckla grafenmodulatorer för chip-till-chip-kommunikation. Eftersom han manipulerar fotoner, han kan göra mycket av forskningen under ett optiskt mikroskop. Vid denna relativt låga förstoring, ett grafenlager ser ut som ett kontinuerligt tunt ark. Men under kraften av ett skanningstunnelmikroskop som kan lösa upp enskilda atomer, materialets kycklingtrådsliknande atomkonfiguration visas.

Wang växte upp i Nanchang i södra Kina och gick på college i Shanghai. Han tog sin doktorsexamen i fysik vid Columbia och var postdoc vid Berkeley innan han började på fysikfakulteten. Hans fokus på grafens potential att öka chip-to-chip-prestanda i datorkretsar började för ungefär sex år sedan. Före det, han studerade kolnanorör, ett endimensionellt kolmaterial.

"Vårt labb fokuserar främst på den grundläggande fysiken för hur ljus interagerar med material på nanoskala, och vilka nya egenskaper som dyker upp, " säger Wang. Det här rymmer mycket fascination för mig.

"Men att utforska sätt att utnyttja några av dessa nya beteenden inom mikroelektronik är lika spännande. Grundforskningen kan avslöja verkliga tillämpningar. Det är en fantastisk kombination."

Ute vid horisonten, Wang kan se grafen integrerat i infraröda bildapparater och optiska sensorer, och möjligen används för att upptäcka kontrollampa förändringar i sjuka celler. Metabolism ändrar pH, eller surhet, av celler, och snabbmetaboliserande cancerceller har distinkta metaboliska signaturer. Lokala pH-variationer, i tur och ordning, ändra de optiska absorptionsegenskaperna hos grafen. Detta kan mätas för att underlätta diagnosen.

Liknande, grafen kan en dag hjälpa till att upptäcka neurologiska sjukdomar. Neuroner kommunicerar med jonpulser - deras så kallade "aktionspotential" - och frisättningen av joner modifierade den optiska absorptionen av grafen. En sådan förändring i grafen skulle potentiellt kunna användas för att detektera neuronaktivitet.

Dessa applikationer är långt framme, Wang säger, fast inte alls uteslutet. Tills vidare, han verkar helt absorberad av fysiken i detta verkligt absorberande nanomaterial.