Grafeen maakt je smartphone zo snel als het licht

Als je al enkele jaren filmpjes op YouTube bekijkt, heb je vast wel gemerkt dat de kwaliteit en snelheid er nog elke dag beter op lijken te worden. Waar je tien jaar geleden uren moest wachten, kan je vandaag al na enkele seconden je schattige katjesvideo bewonderen in Ultra HD.

Die snelle evolutie is onder meer te danken aan het gebruik van laserlicht. In plaats van elektrische signalen is het tegenwoordig laserlicht dat dienstdoet om data en video’s over het internet door te sturen. Zo verlies je veel minder energie en kan informatie zich sneller verplaatsen. Uit het onderzoek waar ik aan deelnam, blijkt dat we dit trucje ook in je smartphone zouden kunnen toepassen. Dat dankzij een nieuw flinterdun materiaal: grafeen.

Lichtcomputers

We toonden aan dat dit dunne materiaal in staat is om laserlicht te vangen en lange tijd vast te houden. Bovendien kan het materiaal het licht wel tien miljoen keer samendrukken. Al sinds de jaren 1990 probeerde men dit te doen met behulp van metalen zoals goud en zilver, maar zonder succes. Nu blijkt dat grafeen uitermate geschikt is om deze klus te klaren.

Een materiaal dat licht kan vangen en manipuleren kan de basis vormen voor een ‘lichtcomputer’.  Hierin worden de elektrische stroompjes die op een computerchip informatie vervoeren vervangen door licht. Zo’n chip zou veel zuiniger en sneller kunnen zijn dan zijn klassieke elektronische tegenhanger en bovendien minder warmte verliezen. Zulke chips gebruiken in smartphones zou, met andere woorden, je batterij langer kunnen laten meegaan.

Het probleem is echter dat licht zo snel is dat het zich niet zomaar laat vangen op een kleine computerchip. Bovendien zijn lichtgolven te groot voor een doorsnee chip, zodat je ze eerst moet kunnen samendrukken voor je er iets mee kan aanvangen.

Als je het licht dan in je chip gevangen hebt, moet je er ook iets mee kunnen doen. Je moet er mee kunnen rekenen. Daarvoor moet je lasers als het ware met elkaar kunnen laten ‘praten’. Ook dat is niet zo evident want twee lichtbundels ‘horen’ elkaar nu eenmaal niet. Ons onderzoek toonde aan dat grafeen ook dit probleem zou kunnen oplossen.

Plakband

Al van bij haar ontdekking was grafeen een opzienbarend materiaal. In de lente van 2004 hielden twee wetenschappers in Manchester een klein experimentje na de kantooruren. Ze probeerden met een stukje plakband heel dunne laagjes van een blokje grafiet te pellen. Als bij wonder slaagden ze erin een laagje los te trekken dat slechts één atoom dik is, dunner dan een honderdduizendste van een mensenhaar. Ze doopten het geïsoleerd laagje grafiet om tot ‘grafeen’, wonnen er in 2010 de Nobelprijs mee en legden de basis voor een onderzoeksveld van ondertussen al enkele miljarden euro’s.

Grafeen is een wonderlijk materiaal. Zo is het licht en flexibel maar toch tweehonderd keer sterker dan staal. Voor ons is het meer van belang dat het ook zeer goed elektriciteit kan geleiden. Dit doet het dankzij een zee van kleine geladen deeltjes die heel gemakkelijk heen en weer kunnen bewegen en zo de stroom kunnen verplaatsen. Deze zee van elektronen is de sleutel om laserlicht te vangen en vast te houden.

Roepende lasers

Hoe slaag je er nu in licht te vangen? Wel, wanneer laserlicht invalt op grafeen, maakt het golfjes in de elektronenzee. Op deze golfjes surft het licht een tijdje mee aan een snelheid die honderd keer lager ligt dan normaal. Hierdoor is het licht als het ware gevangen in het zeer dunne materiaal en wordt het zeer sterk samengedrukt. Omdat grafeen elektriciteit bovendien zo goed kan geleiden, blijven de golfjes heel lang doorgaan en blijft het licht dus lange tijd gevangen.

Samen met onderzoekers uit Manchester, gingen we nog een stapje verder. We maakten zeer smalle strookjes grafeen en gebruikten een eerste laserbundel om golfjes te maken. Tegelijk schenen we met een tweede laser, eentje die typisch gebruikt wordt bij internetcommunicatie, op de strookjes. We hoopten een klein signaaltje te zien van de lichtbundels die met elkaar aan het praten waren. Maar weer verraste grafeen ons! We stelden vast dat de lasers tegen elkaar aan het roepen waren. Om het fenomeen te kunnen verklaren, kwam er zelfs een volledig nieuwe theorie aan te pas. Een ander bewijs dat grafeen ideaal is om ooit lichtcomputers een realiteit te laten worden.

Kwantumwereld

Ons onderzoek is steeds gedreven door de fascinatie voor grafeen en om te kunnen doorgronden hoe dit nieuwe materiaal omgaat met licht. Toen bleek dat grafeen goede kaarten heeft om lichtcomputers mogelijk te maken, nam onze wetenschappelijke nieuwsgierigheid het over en konden we een stukje van de wereld van het allerkleinste, de wereld van de kwantummechanica, ontrafelen.

Wat zou er gebeuren als we het licht nog sterker zouden vertragen en samendrukken? Zo gezegd, zo gedaan. Tot onze verbazing volgde het experiment de gangbare theorie niet meer. We waren terechtgekomen in de minuscule wereld van de kwantummechanica waar de wetten van de traditionele fysica niet meer gelden. Uiteindelijk vonden we welke kwantummechanische processen er aan het werk waren en konden we de resultaten verklaren. Dit verwonderende experiment toonde aan dat je met licht kwantumeffecten kan meten, zelfs bij kamertemperatuur, en vond zo zijn weg naar Science.

Kortom, met ons onderzoek tonen we aan dat grafeen een goede kandidaat is om ooit lichtcomputers te maken. We bewijzen ook dat het materiaal toelaat de wereld van de kwantummechanica verder te ontdekken. Zo heeft de verwondering over wat mogelijk is ons toegelaten om de grenzen van de fysica een stukje te verleggen. Een dikke tien jaar geleden was grafeen een onmogelijk materiaal, vandaag is het een onderzoeksveld met tienduizenden wetenschappers. Over tien jaar is het misschien wel het materiaal dat jou toelaat schattige katvideootjes onmiddellijk te laden en, waarom niet, in 3, 4 of 5D te bekijken.

Voor zijn onderzoek naar grafeen is Ben Van Duppen (Fysica, UAntwerpen) genomineerd voor de Vlaamse PhD Cup 2017.