Grafentromme:Et nyt phonon-laserdesign

Professor Konstantin Arutyunov fra HSE Tikhonov Moscow Institute of Electronics and Mathematics (MIEM HSE), sammen med kinesiske forskere, har udviklet en grafen-baseret mekanisk resonator, hvor kohærente emission af lydenergi kvanter, eller fononer, er blevet induceret. Sådanne enheder, kaldet fononlasere, har et stort potentiale for anvendelse i informationsbehandling, samt klassisk og kvantesansning af materialer. Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet Optik Express .

Ved at bruge en analogi med fotoner, kvanta af det elektromagnetiske spektrum, der er også partikler af lydenergi, fononer. Faktisk, disse er kunstigt introducerede objekter i fysik - kvasipartikler, som svarer til vibrationer af stofs krystalgitter.

Nogle stoffer, ved bestråling, udsender fotoner med samme bølgelængde, fase, og polarisering. denne proces, kaldet stimuleret emission, blev forudsagt af Albert Einstein for over et århundrede siden og er grundlaget for den enhed, vi alle kender - laseren. De første lasere blev konstrueret for omkring tres år siden, og de er blevet solidt etableret i vores liv på forskellige områder.

En lignende proces, involverer udsendelse af "identiske" fononer, ligger til grund for en enhed kaldet, i analogi, en fonon laser, eller saser. Faktisk, det blev forudsagt på samme tid som lasere, men kun nogle få eksperimentelle erkendelser er blevet udviklet over en lang periode, og ingen af ​​dem har været meget brugt i branchen.

Magnesium ioner, halvledere, kompositsystemer med mikrohulrum, elektromekaniske resonatorer, nanopartikler, og mange andre stoffer og systemer er blevet brugt som aktive medier til fononlasere i løbet af det sidste årti. I modsætning til tidligere undersøgelser, denne undersøgelse brugte grafen til at skabe sammenhængende akustiske excitationer. På grund af grafens unikke egenskaber, sådanne resonatorer kan potentielt bruges i vid udstrækning.

Grafenresonatoren blev fremstillet ved mikrolitografi:en fotofølsom polymerfilm aflejres på et siliciumsubstrat. Ved at bruge ultraviolet lys, en bestemt struktur er 'tegnet' på underlaget, som efterfølgende tillader dannelsen af ​​et gentaget system af mikrohulrum ved hjælp af plasmabehandling. Det behandlede underlag er dækket af et lag grafen, og dette system af 'trommer' opfører sig som en resonator, det forstærker ydre vibrationer, hvis de genereres med en bestemt frekvens.

Hvis en sådan 'tromle' bestråles med laserlys ved en bestemt bølgelængde, fotoner reflekteres gentagne gange mellem siliciumbagsiden og grafenen, derved dannes optiske hulrum, hvor der frembringes mekaniske vibrationer med den passende frekvens.

"Eksperimentelt, vi har undersøgt en nanostruktur, som er en fast membran lavet af et monoatomisk lag af kulstof, eller en grafen. Vibrationer af atomer, eller fononer, blev aktiveret i det gennem eksponering for ekstern optisk stråling, " siger Arutyunov. "Forskning forventes at fortsætte, da det er af stor interesse både for fysik af ultra små objekter og har potentialet til at skabe en ny generation af kvanteoptomekaniske sensorer og transducere."