Grafen kan udsende laserglimt

Grafen betragtes som materialevidenskabens absolut bedste:Det todimensionelle bikageformede gitter, der består af kulstofatomer, er stærkere end stål og udviser ekstremt høje ladningsbærermobiliteter. Det er også gennemsigtigt, let og fleksibel. Ikke underligt, at der er masser af applikationer til det – f.eks. i meget hurtige transistorer og fleksible displays. Et hold ledet af forskere fra Max Planck-instituttet for materiens struktur og dynamik i Hamborg har vist, at det også opfylder en vigtig betingelse for brug i nye lasere til terahertz-impulser med lange bølgelængder. Den direkte emission af terahertz-stråling ville være nyttig i videnskaben, men der er endnu ikke udviklet en laser, som kan give det. Teoretiske undersøgelser har tidligere antydet, at det kunne lade sig gøre med grafen. Imidlertid, der var velbegrundet tvivl - som holdet i Hamborg nu har fjernet. På samme tid, forskerne opdagede, at anvendelsesområdet for grafen dog har sine begrænsninger:i yderligere målinger, de viste, at materialet ikke kan bruges til effektiv lysindsamling i solceller.

En laser forstærker lyset ved at generere mange identiske kopier af fotoner - kloning af fotonerne, som det var. Processen for at gøre det kaldes stimuleret emission af stråling. En foton, der allerede er produceret af laseren, får elektroner i lasermaterialet (en gas eller et fast stof) til at hoppe fra en højere energitilstand til en lavere energitilstand, udsender en anden fuldstændig identisk foton. Denne nye foton kan, på tur, generere flere identiske fotoner. Resultatet er en virtuel lavine af klonede fotoner. En betingelse for denne proces er, at flere elektroner er i den højere energitilstand end i den lavere energitilstand. I princippet, hver halvleder kan opfylde dette kriterium.

Den tilstand, der omtales som befolkningsinversion, blev produceret og demonstreret i grafen af ​​Isabella Gierz og hendes kolleger ved Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter, sammen med Central Laser Facility i Harwell (England) og Max Planck Institute for Solid State Research i Stuttgart. Opdagelsen er overraskende, fordi grafen mangler en klassisk halvlederegenskab, som længe blev betragtet som en forudsætning for befolkningsinversion:et såkaldt bandgap. Båndgabet er en region med forbudte energitilstande, som adskiller elektronernes grundtilstand fra en exciteret tilstand med højere energi. Uden overskydende energi, den exciterede tilstand over båndgabet vil være næsten tom og grundtilstanden under båndgabet næsten fuldstændig befolket. En befolkningsinversion kan opnås ved at tilføje excitationsenergi til elektroner for at ændre deres energitilstand til den over båndgabet. Sådan frembringes lavineeffekten beskrevet ovenfor.

Indtil nu, terahertz-impulser er kun blevet genereret via ineffektive ikke-lineære optiske processer

Imidlertid, det forbudte bånd i grafen er uendeligt lille. "Alligevel, elektronerne i grafen opfører sig på samme måde som i en klassisk halvleder", siger Isabella Gierz. I et vist omfang, grafen kunne opfattes som en nul-båndgap halvleder. På grund af fraværet af et båndgab, populationsinversionen i grafen varer kun i omkring 100 femtosekunder, mindre end en billiontedel af et sekund. "Det er derfor, grafen ikke kan bruges til kontinuerlige lasere, men potentielt til ultrakorte laserpulser ", Gierz forklarer.

En sådan grafenlaser ville være særlig nyttig til forskningsformål. Det kunne bruges til at forstærke laserlys med meget lange bølgelængder; såkaldt terahertz-stråling. Denne type laserlys kunne bruges i grundforskning til at studere, for eksempel, højtemperatur superledere. Til dato, terahertz-stråling er blevet produceret ved hjælp af forholdsvis ineffektive, såkaldte ikke-lineære optiske processer. Ud over, det tilgængelige bølgelængdeområde er ofte begrænset af det anvendte ikke-lineære materiale. De seneste resultater tyder på, at grafen kunne bruges til bred båndbreddeforstærkning af vilkårligt lange bølgelængder.

Imidlertid, det Hamburg-baserede team ødelagde også nogle materialeforskeres håb-som det viser sig, grafen er formentlig ikke egnet til at omdanne solstråling til elektricitet i solceller. "Ifølge vores målinger, en enkelt foton i grafen kan ikke frigive flere elektroner, som tidligere forventet", siger Gierz. Dette er en forudsætning for effektiv omdannelse af stråling til elektricitet.

Siliciumcarbid kan bruges til at fremstille grafen til lasere

Forskerne i Hamborg studerede grafen ved hjælp af en metode kaldet tidsopløst fotoemissionsspektroskopi. Dette involverede belysning af materialet med ultrakorte ultraviolette (UV) lysimpulser. Som en konsekvens tvinges elektronerne ud af prøven, og fysikerne måler deres energi og udgangsvinkel. De resulterende data bruges til at bestemme energifordelingen af ​​elektroner i materialet. Tidsopløsning opnås ved at forsinke ankomsttiden for UV-sondeimpulsen i forhold til en vilkårlig excitationsimpuls.

I nærværende eksperiment, elektronerne i grafen blev exciteret ved hjælp af infrarødt laserlys. Derefter anvendte forskerne fotoemissionsspektroskopi for at demonstrere forekomsten af ​​befolkningsinversion. På lignende måde, de fastslog, at bærerformering ikke kunne opnås ved stråling.

Grafenen blev fremstillet af forskerne gennem termisk nedbrydning af siliciumcarbid. Ifølge Gierz, denne procedure kan også bruges til at lave en grafenlaser, da siliciumcarbid er gennemsigtigt og ikke vil forstyrre terahertz-stråling. Imidlertid, fysikeren indrømmer, at der er meget udviklingsarbejde tilbage for at fremstille en grafenlaser.