Effektiv omvandling av ljus till elektricitet spelar en avgörande roll i många tekniker, allt från kameror till solceller. Det utgör också ett viktigt steg i datakommunikationsapplikationer, eftersom det möjliggör att information som bärs av ljus kan omvandlas till elektrisk information som kan bearbetas i elektriska kretsar. Grafen är ett utmärkt material för ultrasnabb omvandling av ljus till elektriska signaler, men hittills var det inte känt hur snabbt grafen reagerar på ultrakorta ljusblixtar.

ICFO-forskare Klaas-Jan Tielrooij, Lukasz Piatkowski, Mathieu Massicotte och Achim Woessner ledda av ICFO Prof. Frank Koppens och ICREA Prof. vid ICFO Niek van Hulst, i samarbete med forskare från forskargruppen ledd av Pablo Jarillo-Herrero vid MIT och forskargruppen ledd av Jeanie Lau vid UC Riverside, har nu visat att en grafenbaserad fotodetektor omvandlar absorberat ljus till en elektrisk spänning med extremt hög hastighet. Studien, med titeln "Generering av fotospänning i grafen på en femtosekunds tidsskala genom effektiv bäraruppvärmning", har nyligen publicerats i Naturens nanoteknik .

Den nya enheten som forskarna utvecklade kan omvandla ljus till elektricitet på mindre än 50 femtosekunder (en tjugondels miljondels miljondels sekund). Att göra detta, forskarna använde en kombination av ultrasnabb pulsformad laserexcitation och mycket känslig elektrisk avläsning. Som Klaas-Jan Tielrooij kommenterar, "experimentet kombinerade på ett unikt sätt den ultrasnabba pulsformningsexpertis som erhållits från ultrasnabb fotonik med en molekyl med expertis inom grafenelektronik. Underlättat av grafens olinjära fototermoelektriska svar, dessa element möjliggjorde observation av femtosekunds fotodetektionssvarstider."

Det ultrasnabba skapandet av en fotospänning i grafen är möjligt på grund av den extremt snabba och effektiva interaktionen mellan alla ledningsbandbärare i grafen. Denna interaktion leder till ett snabbt skapande av en elektronfördelning med en förhöjd elektrontemperatur. Således, energin som absorberas från ljus omvandlas effektivt och snabbt till elektronvärme. Nästa, elektronvärmen omvandlas till en spänning i gränsytan mellan två grafenregioner med olika dopning. Denna fototermoelektriska effekt visar sig inträffa nästan omedelbart, vilket möjliggör ultrasnabb omvandling av absorberat ljus till elektriska signaler. Som prof. van Hulst säger, "det är fantastiskt hur grafen tillåter direkt icke-linjär detektering av ultrasnabba femtosekunds (fs) pulser".

Resultaten från resultaten av detta arbete, som delvis har finansierats av EC Graphene Flagship, öppna en ny väg mot ultrasnabb optoelektronisk omvandling. Som Prof. Koppens kommenterar, "Graphene fotodetektorer fortsätter att visa fascinerande prestanda för ett brett spektrum av applikationer".