Scherp licht op grafeen kan nieuwe eenrichtingsinformatierouters opleveren

Grafeen is de focus geweest van intensief onderzoek in zowel academische als industriële omgevingen vanwege zijn unieke elektrische geleidingseigenschappen. Als het dunste materiaal dat de mens kent, is grafeen in wezen tweedimensionaal en heeft het andere elektronische en fotonische eigenschappen dan conventionele 3D-materialen. Onderzoekers van Purdue University (Todd Van Mechelen, Wenbo Sun en Zubin Jacob) hebben aangetoond dat de stroperige vloeistof van grafeen (botsende elektronen in vaste stoffen kunnen zich als vloeistoffen gedragen) unidirectionele elektromagnetische golven aan de rand ondersteunt. Deze “randgolven” zijn gekoppeld aan een nieuwe topologische fase van materie en symboliseren een faseovergang in het materiaal, vergelijkbaar met de overgang van vast naar vloeibaar.

Een opmerkelijk kenmerk van deze nieuwe fase van grafeen is dat licht zich in één richting langs de rand van het materiaal voortplant en bestand is tegen wanorde, onvolkomenheden en vervorming. Purdue-onderzoekers hebben dit niet-wederkerige effect aangewend om ’topologische circulatiepompen’ te ontwikkelen – eenrichtingsrouters van signalen, de kleinste ter wereld – die een doorbraak zouden kunnen zijn voor on-chip, volledig optische verwerking.

Circulatoren zijn een fundamentele bouwsteen in geïntegreerde optische schakelingen, maar hebben weerstand geboden aan miniaturisatie vanwege hun omvangrijke componenten en de smalle bandbreedte van de huidige technologieën. Topologische circulatiepompen overwinnen dit door zowel ultra-subgolflengte als breedband te zijn, mogelijk gemaakt door een unieke elektromagnetische fase van materie. Toepassingen omvatten informatieroutering en onderlinge verbindingen tussen kwantum- en klassieke computersystemen.

Het onderzoek is gepubliceerd in Natuurcommunicatie.