Une équipe de physiciens de l’Université de Genève (UNIGE) a mesuré un phénomène optique géant dans le graphène. Ce matériau, dont la découverte a été récompensée par le Prix Nobel de physique 2010, est constitué d’une couche unique d’atomes de carbone. Ses propriétés exceptionnelles sont au coeur de la recherche mondiale, dans des disciplines aussi diverses que l’ingénierie, la biologie et la chimie, avec un grand potentiel pour les applications futures. Or, contre toute attente, des chercheurs viennent d’observer une rotation de la lumière d’une très grande amplitude au coeur du graphène, une rotation qui rend ce matériau utilisable dans de nouvelles applications optiques.
Dans la course à la miniaturisation et à la nano-fabrication des composants électroniques, le potentiel du graphène est à la hauteur des défis posés par les nouvelles technologies. En raison de ses propriétés physiques et chimiques extraordinaires, le matériau le plus mince du monde possède en effet des propriétés surprenantes. La plus exceptionnelle est le fait que, dans le graphène, les électrons qui génèrent le courant électrique en se déplaçant possèdent une vitesse bien plus grande que dans un matériau classique, ce qui permet notamment d’envisager une électronique plus rapide. Le graphène représente ainsi une alternative extrêmement prometteuse aux matériaux semi-conducteurs usuels.
Un effet optique géant dans un matériau extrêmement fin
Des chercheurs de l’Université de Genève ont étudié la polarisation optique d’une lumière infrarouge traversant une couche de graphène lorsqu’il est sous l’influence d’un aimant. La polarisation est une caractéristique importante de la lumière, qui est notamment mise à contribution dans les filtres des appareils photos, les lunettes de cinéma 3D, les verres de certaines lunettes de soleil précisément dits «polarisants» ou encore les communications optiques (Internet, téléphones portables...).
Dans un matériau classique, la rotation de la polarisation augmente avec l’épaisseur de l’échantillon. Que se passe-t-il dans le graphène, dont l’épaisseur est celle d’un atome ? Les expériences réalisées montrent que la rotation est gigantesque. Elle reflète en réalité le caractère particulier des électrons du graphène, qui interagissent spécifiquement avec les particules de la lumière.
Vers de nouvelles applications
Avec cette découverte, le graphène se retrouve plus que jamais en tête de file des matériaux du futur. Les résultats novateurs de cette étude permettent en effet d’envisager l’usage du graphène pour diverses applications électro-optiques dans le domaine infrarouge, applications où la polarisation joue un rôle crucial (lasers ultra-rapides). Car, contrairement à ce qui se produit dans les matériaux conventionnels, dans le graphène, le sens et l’amplitude de la rotation de la polarisation peuvent être facilement et rapidement inversés. Cette observation d’une rotation de grande amplitude dans une seule couche atomique rendra aisée la miniaturisation des dispositifs utilisés actuellement.
