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Les chercheurs des universités de Bath et Exeter ont montré que quelques couches de graphène empilées les unes sur les autres pourraient former un matériau qui pourrait améliorer de 100 fois la vitesse des commutateurs optiques comparé aux technologies utilisées actuellement dans les télécommunications.
Les commutateurs optiques sont une partie essentielle de notre infrastructure de télécommunications et bien que leur performance soit déjà assez impressionnante, les chercheurs ont longtemps soupçonné qu’une classe de matériaux appelés semi-métaux, dont le graphène en fait partie, pourrait être utilisée pour les améliorer.
Lorsque la lumière frappe un semi-conducteur dopé, l’énergie qui en résulte modifie les électrons à faible énergie qui quittent la bande de valence vers un état excité dans la bande de conduction. Ces électrons à haute énergie peuvent se déplacer plus librement dans celui-ci et conduire l’électricité. Finalement, lorsque l’énergie est épuisée, les électrons retournent à leur état d’origine à travers le gap vers la bande de valence.
Pour déterminer si un matériau peut être utilisé pour traiter l’information rapidement, les chercheurs ont besoin d’examiner de près la façon dont les électrons circulent entre les bandes énergétiques dans ce matériau. Le facteur important est le temps de recombinaison. C’est le temps qu’il faut pour qu’un électron puisse faire le trajet de retour de la conduction vers la bande de valence.
Au cours de ces dernières années, les chercheurs ont avancé l’hypothèse que le graphène pourrait être un excellent matériau pour l’optoélectronique, mais ils ne pouvaient pas vérifier leur hypothèse parce que le graphène est un semi-métal, ou un semi-conducteur à gap nul. En d’autres termes, dans le graphène il n’y a pas de bande vide entre la valence et la bande de conduction. Ce qui signifie que les scientifiques ne sont pas en mesure d’analyser efficacement son potentiel avec les techniques actuelles.
Les chercheurs de Bath ont trouvé un moyen de mesurer le temps de recombinaison dans les semi-métaux tels que le graphène. Ils ont étudié le déplacement des électrons dans la partie infrarouge du spectre qui est une transition entre les différents états quantiques. Les physiciens ont observé que le temps de recombinaison d’un commutateur optique utilisant des couches empilées de graphène était de l’ordre d’une centaine de femtosecondes; tandis qu’avec un commutateur optique ordinaire, c’est de l’ordre de quelques picosecondes. Donc le commutateur à base de graphène est cent fois plus rapide.
Cela pourrait améliorer grandement le temps de commutation dans les noeuds. Sur le long terme, cette recherche pourrait également conduire au développement de lasers à cascade quantique à base de graphène. Les lasers à cascade quantique sont des lasers à semi-conducteurs utilisés dans la surveillance de la pollution, la sécurité et la spectroscopie.
La recherche est publiée dans la revue Physical Review Letters.
Source: University of Bath
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