Towards out of equilibrium graphene based photonic devices

Il grafene, un singolo strato di atomi di carbonio, e’ il primo rappresentante di una nuova classe di materiali cosidetti bidimensionali. Resistente piu’ dell’acciaio, flessibile come la plastica e piu’ leggero dell’alluminio, possiede conducibilita’ termica ed elettrica superiori a quelle del rame. Queste proprieta’, straordinariamente riunite in un singolo materiale, unite alla trasparenza alla luce visibile hanno stimolato eccezionale interesse nella comunita’ scientifica. Nel 2013 è iniziato uno dei maggiori programmi di ricerca mai lanciati in Europa (Graphene Flagship) con un finanziamento di 1 miliardo di euro per 10 anni con lo scopo di portare il grafene dal laboratorio alla nostra vita quotidiana.

Tra le applicazioni che si stanno dimostrando piu’ promettenti ci sono batterie, fotovoltaico, elettrodi per schermi flessibili, laser impulsati. Si tratta di impieghi legati criticamente alla distribuzione dei portatori di carica; pertanto la possibilità di manipolare tale distribuzione tramite perturbazioni esterne offre eccezionali opportunita’ in diversi ambiti, dall’elettronica alla fotonica. Uno dei modi piu’ potenti di esercitare questo controllo e’ attraverso l’applicazione di un campo elettromagnetico ultrabreve (impulsi luminosi di durata inferiore ad un milionesimo di milionesimo di secondo), che consente di modificare la distribuzione elettronica in maniera praticamente istantanea in modo da poterne osservare il successivo rilassamento attraverso diversi canali di decadimento, come l’interazione tra portatori di carica (interazione elettrone-elettrone) e tra portatori di carica e vibrazioni reticolari (interazione elettrone-fonone).

Un gruppo di ricercatori della Sapienza, in collaborazione con la Cambridge University, il Politecnico di Milano e il CNR ha studiato gli effetti fotoindotti da impulsi di luce ultrabrevi sui processi di interazione tra portatori di carica e vibrazioni reticolari, osservandoli per la prima volta dal punto di vista del reticolo. In particolare, utilizzando un impulso di luce ultrabreve e’ stato simultaneamente indotto un regime di fuori equilibrio termodinamico (temperatura degli elettroni molto piu’ elevata di quella dei nuclei) e misurata l’ emissione Raman, che fornisce informazioni proprio su energia e vita media delle vibrazioni reticolari (fononi) del materiale.

La ricerca, coordinata dal gruppo Femtoscopy del Dipartimento di Fisica, ha dimostrato la possibilita’ di creare in maniera controllata nuovi canali di decadimento nell’interazione elettone-fonone, legati ad una modifica fotoindotta della relazione di dispersione elettronica (una sorta di “sfumatura” del cono di Dirac). Lo studio ha importanti implicazioni per il campo emergente della fotonica dei materiali bidimensionali, ovvero per dispositivi quali celle solari, LED, touchscreen, photodetectors e laser impulsati. Per quest’ultima applicazione, in particolare, e’ in corso di registrazione un brevetto per la realizzazione di un innovativo sistema di microscopia per applicazioni biomediche basato su laser a grafene, sviluppato in collaborazione con l’Universita’ di Cambridge e il Politecnico di Milano nel contesto della Graphene Flagship.

 

Riferimenti:

Raman spectroscopy of graphene under ultrafast laser excitation.

C. Ferrante, A. Virga, L. Benfatto, M. Martinati, D. De Fazio, U. Sassi, C. Fasolato, A. K. Ott, P. Postorino, D.Yoon, G. Cerullo, F. Mauri, A. C. Ferrari, T. Scopigno.

Nature Communications, 9, 308, (2018)

 

Info:

Tullio Scopigno

Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma

T: (+39) 06 4991 3513

E-mail: tullio.scopigno@roma1.infn.it