I hjärtat av laser, bildskärmar och andra ljusemitterande enheter ligger emissionen av fotoner. Elektriskt styrd modulering av denna emission är av stor betydelse i applikationer som optisk kommunikation, sensorer och displayer. Dessutom, elektrisk styrning av ljusemissionsvägarna öppnar möjligheten för nya typer av nano-fotoniska enheter, baserad på aktiv plasmonik.

Forskare från ICFO, MIT, CNRS, CNISM och Graphenea har nu visat aktiva, in-situ elektrisk styrning av energiflödet från erbiumjoner till fotoner och plasmoner. Experimentet genomfördes genom att placera erbiumsändare några tiotals nanometer bort från grafenarket, vars bärardensitet (Fermi-energi) är elektriskt styrd. Delvis finansierad av EC Graphene Flagship, denna studie med titeln "Elektrisk styrning av optiska emitteravslappningsvägar möjliggörs av grafen", har publicerats i Naturfysik .

Erbiumjoner används huvudsakligen för optiska förstärkare och avger ljus vid en våglängd av 1,5 mikrometer, det så kallade tredje telekomfönstret. Detta är ett viktigt fönster för optisk telekommunikation eftersom det finns mycket liten energiförlust i detta område, och därmed mycket effektiv informationsöverföring.

Studien har visat att energiflödet från erbium till fotoner eller plasmoner kan styras helt enkelt genom att applicera en liten elektrisk spänning. Plasmonerna i grafen är ganska unika, eftersom de är mycket starkt begränsade, med en plasmonvåglängd som är två storleksordningar mindre än våglängden för de emitterade fotonerna. När Fermi-energin i grafenarket gradvis ökades, erbiumsändare kom från spännande elektroner i grafenarket, att avge fotoner eller plasmoner. Experimenten avslöjade de länge eftertraktade grafenplasmonerna vid nära-infraröda frekvenser, relevant för dessa telekommunikationstillämpningar. Dessutom, den starka koncentrationen av optisk energi erbjuder nya möjligheter för datalagring och manipulation genom aktiva plasmoniska nätverk.

Frank Koppens kommenterade:"Detta arbete visar att elektrisk styrning av ljus på nanometerskalan är möjlig och effektiv, tack vare de optoelektroniska egenskaperna hos grafen."