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Jun 15, 2023

I ricercatori sviluppano il grafene

I ricercatori dell'Arizona State University (ASU) hanno presentato un concetto di progettazione per un migliore effetto di assorbimento saturabile basato su una metasuperficie ibrida grafene-plasmonica con spessore sub-lunghezza d'onda (<1/5λ0)

I ricercatori dell'Arizona State University (ASU) hanno presentato un concetto di progettazione per un migliore effetto di assorbimento saturabile basato su strutture di metasuperfici ibride grafene-plasmoniche con spessore inferiore alla lunghezza d'onda (<1/5λ0) nelle lunghezze d'onda dell'infrarosso. Yu Yao e il suo gruppo di ricerca presso l'ASU Center for Photonics Innovation hanno progettato un componente laser su scala nanometrica più veloce ed efficiente dal punto di vista energetico chiamato assorbitore saturabile con metastruttura ibrida grafene-plasmonica, noto come GPSMA.

I risultati teorici e sperimentali del team hanno dimostrato che, eccitando i trasportatori di non equilibrio all'interno degli hotspot su scala nanometrica, non solo è possibile migliorare l'assorbimento saturabile nel grafene, ma anche ridurre la fluenza di saturazione di oltre 3 ordini di grandezza (da ∼1 mJ/cm2 a ∼100 nJ/cm2). I risultati delle loro misurazioni con sonda a pompa hanno suggerito un tempo di recupero dell’assorbimento saturabile ultrabreve (<60 fs), che è in definitiva determinato dalla dinamica di rilassamento dei portatori fotoeccitati nel grafene. Hanno anche osservato effetti di restringimento del polso nei dispositivi in ​​base ai risultati della misurazione dell’autocorrelazione. Tali concetti di progettazione possono essere personalizzati tramite l’ingegneria strutturale per operare in gamme di lunghezze d’onda più ampie fino alle regioni spettrali del medio e lontano infrarosso. Questi design di assorbitori saturabili a fluenza ultraveloce e a bassa saturazione possono consentire laser a bassa soglia, compatti, con modalità di avvio automatico, modellazione dell'impulso laser ed elaborazione ottica delle informazioni ad alta velocità.

I laser producono stretti fasci di luce. Quando la luce del laser interagisce con la superficie di un materiale su scala nanometrica, emette un'onda di luce nota come plasmone e gli attributi di un dato plasmone possono segnalare informazioni. Nella trasmissione ottica, un laser pompa la luce in un componente chiamato assorbitore saturabile per generare un segnale ottico.

Il GPSMA recentemente sviluppato dal team ha potenziali applicazioni nei settori della comunicazione, dell'elaborazione delle informazioni, della spettroscopia e della biomedicina. L'assorbitore può essere utilizzato per migliorare la velocità, l'efficienza e le prestazioni complessive per far avanzare le tecnologie di trasmissione dei dati, elaborazione delle informazioni, rilevamento biomedico e imaging.

Il team di Yao ha incorporato nel proprio lavoro un materiale ibrido metallo-grafene progettato artificialmente grazie alle sue caratteristiche benefiche nella modulazione ottica e nell'assorbimento saturabile.

Gli scienziati hanno ottenuto risultati impressionanti progettando una serie di antenne ottiche che focalizzano la luce negli spazi su scala nanometrica del materiale, noti come punti caldi, per aumentare l'assorbimento. Concentrando il laser su questi punti caldi, hanno osservato un miglioramento delle prestazioni e una diminuzione del consumo di energia.

"Il grafene è leggero e ha un tempo di risposta ottica rapido, ma ha un basso tasso di assorbimento in forma monostrato", ha affermato Yao. “Abbiamo progettato questo dispositivo in modo che l’assorbimento della luce nel punto caldo su scala nanometrica possa essere aumentato di oltre tre ordini di grandezza, risultando non solo in un forte assorbimento della luce ma anche in effetti di assorbimento saturabili. Con GPSMA stiamo realizzando un dispositivo assorbitore saturabile che potrebbe effettivamente ridurre il consumo energetico di quasi due o tre ordini di grandezza”.

La loro nuova tecnica potrebbe aprire opportunità per la spettroscopia laser a infrarossi e la comunicazione di segnali ottici ad alta velocità sia con cavi in ​​fibra ottica che con comunicazioni satellitari grazie alla sua velocità.

"Il nostro dispositivo può funzionare a velocità record", ha detto Yao. “Gli assorbitori saturabili convenzionali possono funzionare su scale temporali di nanosecondi, ma ora stiamo arrivando a circa 60 femtosecondi, ovvero oltre 100.000 volte più veloci”.

GPSMA attualmente funziona alla lunghezza d'onda del vicino infrarosso sullo spettro elettromagnetico. Grazie all’ampia risposta ottica del grafene, è possibile estendere la sua copertura spettrale a lunghezze d’onda maggiori nella regione spettrale dell’infrarosso, che sono di grande interesse per la spettroscopia molecolare e le comunicazioni ottiche. Tuttavia, per le lunghezze d’onda maggiori, è convenzionalmente più difficile ottenere assorbitori saturabili e generare impulsi laser ultracorti. Il concetto di design GPSMA potrebbe colmare questa lacuna tecnologica.