Optoelektroniikka on monelle keskeinen kehitystyön tavoite, sillä kun signaali kulkee valona sähkön sijaan, nopeudet ovat valtavasti suurempia. Tämän ansiosta piireistä saataisiin merkittävästi nykyistä nopeampia. MIT:n tutkijat ovat löytäneet grafeenista ominaisuuden, joka voi mahdollistaa optopiirien valmistuksen.
Yhdessä muiden korkeakoulujen tutkijoiden kanssa kaksi MIT:n professoria – Marin Soljačić ja John Joannopoulos – keksivät, että tietyissä olosuhteissa valo hidastuu grafeenikalvossa lähelle elektronien nopeutta. Kun nopeudet ovat lähellä toisiaan, sähköä voidaan mahdollisesti muuttaa valoksi.
Tutkijat sanovat, että ilmiö muistuttaa äänivallin murtumista yliäänikoneen kiihdyttäessä nopeuttaan. Grafeenikalvolla kyse on enemmänkin hyvin intensiivisen, fokusoidun valosäteen syntymisestä, eräänlaisesta optisen vallin murtumisesta.
Tutkijat huomasivat, että kun valo osuu grafeenikalvoon, se hidastuu monisatakertaisesti. Tämä fotonien hidastunut liike oli hyvin lähellä grafeenissa kulkevien elektronien nopeutta. Grafeeni tavallaan vangitsee valon tiloihin, joita kutsutaan pintaplasmoneiksi. Nämä ovat virtuaalisia partikkeleita, jotka kuvaavat elektronien värähtelyä pinnalla. Plasmonien nopeus grafeenin läpi on muutama sata kertaa hitaampaa kuin valon eteneminen vapaassa tilassa.
Elektronit kulkevat grafeenin läpi hyvin nopeasti, jopa miljoona metriä sekunnissa eli noin 1/300 valonnopeudella. Mikäli grafeenia voitaisiin virittää niin, että nämä nopeudet vastaisivat toisiaan, kalvoa voitaisiin käyttää valon tuottamiseen.
Tätä ilmiötä kutsutaan Čerenkovin säteilyksi ja sen kuvasi 80 vuotta sitten venäläinen fyysikko Pavel Čerenkov. Tähän asti on luultu, että ilmiö rajoittuu vain avaruuteen ja lähellä valon nopeutta kulkevien objektien käyttäytymiseen. Valon hidastuminen grafeenissa näyttää mahdollistavan sen, että Čerenkovin säteily saa ensimmäisen käytännön sovelluksensa.
Sähköä voidaan muuntaa valoksi monella tapaa. Nykyiset ledit lienevät tällä hetkellä tutuin tekniikka. Plasmonipohjainen tekniikka voisi kuitenkin mahdollistaa sähkön muuttamisen valoksi merkittävästi nykyistä tehokkaammin. Ja mikä parasta, plasmoneja voidaan tuottaa hallitusti mittakaavassa, joka on yhteensopiva nykyisten mikropiirien valmistustekniikoiden kanssa.
Mikäli mikropiireissä siirrytään elektronien sijasta valoon, niiden nopeus kasvaa kuusi kertaluokkaa nykyistä nopeammaksi – siis miljoona kertaa nopeammaksi. Valo on hankala hallita johtimessa kulkevan sähkön tavoin, mutta grafeenikalvossa, oikeissa olosuhteissa, valonsäteet ovat erittäin tarkkaan määriteltyjä.
MIT:n grafeenitutkimusta on rahoittanut Yhdysvaltain armeijan tutkimuslaboratorio. Kansainvälisen tutkimusryhmän tulokset on julkaistu Nature Communications -lehdessä.
