Помимо уникальных электронных и механических свойств, среди прочих материалов графен выделяется неожиданным взаимодействием со светом. Эксперименты показали, что он может поглотить до 2% падающего свет, несмотря на толщину всего в один атом. А в своей последней работе ученые из США показали, что этот материал может поглощать до 45% падающего света в дальнем инфракрасном и микроволновом диапазоне, если соединить его с оптическим резонатором.

Это открытие еще раз доказывает, что графен может быть идеальной основой для целого ряда фотонных устройств нового поколения, к примеру, для сверхбыстрых модуляторов, переключателей и датчиков для оптической связи.

Графен представляет собой двумерный слой атомов углерода, образующих гексагональную кристаллическую решетку. Хотя этот материал был открыт более 8 лет назад, он продолжает удивлять ученых новыми уникальными свойствами. Некоторые ученые предполагают, что

графен в будущем может заменить кремний в роли основного материала электронной промышленности. Это возможно в первую очередь за счет того, что свободные носители заряда путешествуют через графен, практически не испытывая сопротивление со стороны атомов в узлах кристаллической решетки. Т.е. они ведут себя практически, как частицы Дирака, не имеющие массы покоя.

Благодаря тем же дираковым электронам, графен идеально подходит для устройств фотоники. В отличие от других полупроводников, относящихся к III – V группам таблицы Менделеева, этот материал способен поглощать свет в очень широком диапазоне длин волн: от видимого до инфракрасного (а эта часть электромагнитного спектра особенно важна для оптических коммуникаций). Но, хотя поглощение 2.3% падающего света для 1-атомной пластины является удивительно-большим, в абсолютных величинах оно остается не высоким. Для оптико-электронных приложений необходимо гораздо большее поглощение.

Группа ученых из Columbia University (США) утверждает, что доля поглощаемого излучения может быть существенно повышена за счет размещения вблизи от материала плоского фотонного кристалла. Детальные спектроскопические исследования такой конструкции показали, что

взаимодействие графена со светом, попавшим в «ловушку» в таком фотонном кристалле, уменьшает долю отраженного света более чем в 100 раз. Таким образом, графен превращается из практически прозрачного в почти непрозрачный материал.

Ученые объясняют такие изменения так называемой теорией связанных мод, показывающей, что

в описанном случае графен может поглощать до 45% падающего на него излучения.

Как считают ученые, обнаруженная ими возможность потенциально могла бы использоваться не только в целом ряде практических приложений, но и в исследовательских техниках, в частности, высокочастотной спектроскопии комбинационного рассеяния.

Фотонные кристаллы, использовавшиеся в эксперименте научной группы, представляют собой текстурированный периодическими отверстиями полупроводник (фосфид галлия), толщина которого менее длины волны электромагнитного излучения.

Такой резонатор изначально отражает падающий свет, однако при соединении с графеном доля отражения значительно снижается, резонатор становится «темным».

Исследования не заканчиваются на достигнутом результате. Расчеты ученых показывают, что

доля поглощенного света может быть даже выше при использовании других наноструктур в сочетании с графеном. Некоторые из них потенциально могут обеспечить 90% поглощения.

Все это означает, что графен может быть использован в качестве активного вещества в компактных фотоприемниках, сверхбыстрых модуляторах и других оптико-электронных устройствах, сочетающих в себе удивительные свойства графена.

В рамках своей работы исследователи уже продемонстрировали определенные успехи в изготовлении энергоэффективных модуляторов и детекторов для оптических коммуникаций.

Подробные результаты их работы были опубликованы в журнале Nano Letters.