Forskere finder nye egenskaber ved kulstofmaterialet grafen

Grafen har vakt stor begejstring blandt videnskabsmænd, siden det ekstremt stærke og tynde kulstofmateriale blev opdaget i 2004. Kun et atom tykt, det honeycomb-formede materiale har flere bemærkelsesværdige egenskaber, der kombinerer mekanisk sejhed med overlegen elektrisk og termisk ledningsevne.

Nu er en gruppe videnskabsmænd ved Iowa State University, ledet af fysiker Jigang Wang, har vist, at grafen har to andre egenskaber, der kunne have anvendelse i højhastigheds-telekommunikationsenheder og laserteknologi – populationsinversion af elektroner og bredbåndsoptisk forstærkning.

Wang er assisterende professor i Institut for Fysik og Astronomi i College of Liberal Arts and Sciences ved Iowa State University. Han er også associeret videnskabsmand ved Department of Energy's Ames Laboratory.

Wangs team blinkede ekstremt korte laserimpulser på grafen. Forskerne opdagede straks en ny foto-exciteret grafentilstand karakteriseret ved en bredbåndspopulationsinversion af elektroner. Under normale forhold, de fleste elektroner ville besætte lavenergitilstande, og kun nogle få ville befolke tilstande med højere energi. I befolkningsomvendte stater, denne situation er omvendt:flere elektroner befolker højere, snarere end lavere, energitilstande. Sådanne populationsinversioner er meget sjældne i naturen og kan have meget usædvanlige egenskaber. I grafen, den nye tilstand producerer en optisk forstærkning fra det infrarøde til det synlige.

Enkelt sagt, optisk forstærkning betyder, at der kommer mere synligt lys ud, end der kommer ind. Dette kan kun ske, når forstærkningsmediet pumpes eksternt og derefter stimuleres med lys (stimuleret emission). Wangs opdagelse kan åbne døre for effektive forstærkere i telekommunikationsindustrien og ekstremt hurtige optoelektronikenheder.

Grafen som forstærkningsmedium til lysforstærkning

"Det er meget spændende, " sagde Wang. "Det åbner muligheden for at bruge grafen som et forstærkningsmedium til lysforstærkning. Det kunne bruges til at lave optiske bredbåndsforstærkere eller højhastighedsmodulatorer til telekommunikation. Det giver endda implikationer for udvikling af grafenbaserede lasere."

Wangs team afslørede sine resultater i tidsskriftet Physical Review Letters den 16. april. Ud over Wang, avisens andre forfattere er Tianq Li, Liang Luo og Junhua Zhang, Iowa State fysik kandidatstuderende; Miron Hupalo, Ames Laboratory videnskabsmand; og Michael Tringides og Jörg Schmalian, Iowa State fysikprofessorer og Ames Laboratory-forskere.

Wang er medlem af Condensed Matter Physics-programmet i Iowa State og Ames Laboratory. Han og hans team udfører optiske eksperimenter ved hjælp af laserspektroskopiteknikker, fra det synlige til det mellem-infrarøde og fjern-infrarøde spektrum. De bruger ultrakorte laserimpulser ned til 10 kvadrilliontedele af et sekund til at studere nanovidenskabens verden og korrelerede elektronmaterialer.

I 2004 opdagede britiske forskere Andre Geim og Konstantin Novoselov grafen, hvilket førte til, at de vandt Nobelprisen i fysik i 2010. Grafen er et todimensionelt (højde og bredde) materiale med en voksende liste over kendte unikke egenskaber. Det er et enkelt lag af kulstof kun et atom tykt. Kulstofatomerne er forbundet i et sekskantet gitter, der ligner en bikage. På trods af mangel på bulk, grafen er stærkere end stål, det leder elektricitet såvel som kobber og leder varme endnu bedre. Den er også fleksibel og næsten gennemsigtig.

Der eksisterede et forståelsesgab, Wang forklarede, mellem de to videnskabelige samfund, der studerede grafens elektroniske og fotoniske egenskaber. Han mente, at hans gruppe kunne hjælpe med at bygge bro over kløften ved at uddybe de ikke-lineære optiske egenskaber af grafen og forstå den elektroniske tilstand, der ikke er ligevægt. Wang forklarede, at lineære optiske egenskaber kun transmitterer lys - et lyssignal kommer ind i et materiale og et kommer ud. "Den ikke-lineære egenskab kan ændre og modulere signalet, ikke bare sende det, producerer funktionalitet til nye enhedsapplikationer."

Grafen i en meget ikke-lineær tilstand

Wang sagde, at andre videnskabsmænd har studeret grafens optiske egenskaber, men primært i det lineære regime. Hans team antog, at de kunne generere en ny "meget ukonventionel tilstand" af grafen, hvilket resulterede i befolkningsinversion og optisk gevinst.

"Vi var den første gruppe, der slog ny vej, at begynde at se på det i en meget ophidset tilstand bestående af ekstremt tætte elektroner - en meget ikke-lineær tilstand. I en sådan tilstand, grafen har unikke egenskaber."

Wangs gruppe startede med højkvalitets grafen monolag dyrket af Hupalo og Tringides i Ames Laboratory. Forskerne brugte en ultrahurtig laser til at "excitere" materialets elektroner med korte lysimpulser på kun 35 femtosekunder (35 kvadrilliontedele af et sekund). Gennem målinger af de foto-inducerede elektroniske tilstande, Wangs team fandt ud af, at optisk ledningsevne (eller absorption) af grafenlagene ændrede sig fra positiv til negativ - hvilket resulterede i den optiske forstærkning - når pumpens pulsenergi blev øget over en tærskel.

Resultaterne indikerede, at populationens omvendte tilstand i fotoexciteret grafen udsendte mere lys, end det absorberede. "Absorptionen var negativ. Det betød, at populationsinversion virkelig er etableret i den exciterede grafen, og der kom mere lys ud af det omvendte medium, end hvad der kom ind, som er optisk forstærkning, " sagde Wang. "Det udsendte lys viser en forstærkning på omkring en procent for et lag på kun et atom tykt, en figur i samme rækkefølge som hvad der ses i konventionelle optiske halvlederforstærkere hundredvis af gange tykkere."

Nøglen til eksperimenterne, selvfølgelig, skabte den meget ikke-lineære tilstand, noget "der normalt ikke eksisterer i termisk ligevægt, " sagde Wang. "Du kan ikke bare sætte grafen under lyset og studere det. Du skal virkelig ophidse elektronerne med den ultrahurtige laserpuls og have viden om tærskeladfærden for at nå frem til en sådan tilstand."

Wang sagde, at der ligger en hel del mere ingeniør- og materialeperfektion forude, før grafens fulde potentiale for lasere og optisk telekommunikation nogensinde er realiseret. "Undersøgelsen viser tydeligt, selvom, at belysning af grafener kan producere lysere emissioner såvel som en lys fremtid, " han sagde.