Magnetiske felter og lasere fremkalder grafenhemmeligheder

Forskere ved Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har for første gang studeret dynamikken af ​​elektroner fra "vidundermaterialet" grafen i et magnetfelt. Dette førte til opdagelsen af ​​et tilsyneladende paradoksalt fænomen i materialet. Dens forståelse kunne gøre en ny type laser mulig i fremtiden. Sammen med forskere fra Berlin, Frankrig, Tjekkiet og USA, forskerne beskrev præcist deres observationer i en model og har nu offentliggjort deres resultater i det videnskabelige tidsskrift Naturfysik .

Grafen betragtes som et "vidundermateriale":dets brudstyrke er højere end stål, og det leder elektricitet og varme mere effektivt end kobber. Som en todimensionel struktur, der kun består af et enkelt lag af kulstofatomer, den er også fleksibel, næsten gennemsigtig og cirka en million gange tyndere end et ark papir. Desuden, kort efter opdagelsen for ti år siden, videnskabsmænd anerkendte, at grafens energitilstande i et magnetfelt - kendt som Landau-niveauer - opfører sig anderledes end halvlederes. "Mange fascinerende effekter er blevet opdaget med grafen i magnetiske felter, men elektronernes dynamik er aldrig blevet undersøgt i et sådant system før nu, " forklarer fysiker Dr. Stephan Winnerl fra HZDR.

HZDR-forskerne udsatte grafenet for et magnetfelt på fire Tesla - fyrre gange stærkere end en hesteskomagnet. Som resultat, elektronerne i grafen optager kun visse energitilstande. De negativt ladede partikler blev nærmest tvunget på spor. Disse energiniveauer blev derefter undersøgt med fri-elektron laserlysimpulser ved HZDR. "Laserimpulsen exciterer elektronerne til et bestemt Landau-niveau. En tidsmæssigt forsinket impuls undersøger derefter, hvordan systemet udvikler sig, " forklarer Martin Mittendorff, ph.d.-kandidat ved HZDR og førsteforfatter af papiret.

Omfordeling af elektroner overrasker videnskabsmænd

Resultatet af forsøgene har forbløffet forskerne. Dette særlige energiniveau, hvori nye elektroner blev pumpet ved hjælp af laseren, gradvist tømt. Winnerl illustrerer denne paradoksale effekt ved at bruge et hverdagseksempel:"Forestil dig en bibliotekar, der sorterer bøger på en bogreol med tre hylder. Hun placerer en bog ad gangen fra den nederste hylde på den midterste hylde. Hendes søn 'hjælper' samtidig ved at tage to bøger fra midterste hylde, placere en af ​​dem på øverste hylde, den anden på bunden. Sønnen er meget ivrig, og nu falder antallet af bøger på den midterste hylde, selvom det netop er den hylde, hans mor ønsker at fylde."

Fordi der hverken var eksperimenter eller teorier om en sådan dynamik før, Dresden-fysikerne havde i starten svært ved at fortolke signalerne korrekt. Efter en række forsøg, imidlertid, de fandt en forklaring:kollisioner mellem elektroner forårsager denne usædvanlige omlejring. "Denne effekt har længe været kendt som Auger scattering, men ingen forventede, at det ville være så stærkt og ville få et energiniveau til at blive opbrugt, " forklarer Winnerl.

Denne nye opdagelse kan bruges i fremtiden til at udvikle en laser, der kan producere lys med vilkårligt justerbare bølgelængder i det infrarøde og terahertz-området. "Sådan en laser på Landau-niveau blev længe anset for umulig, men nu med grafen kunne denne halvlederfysikers drøm blive til virkelighed, siger Winnerl entusiastisk.

Berlin-forskere beregner kompleks model for Dresden-eksperimenter

Efter at den grundlæggende model brugt i eksperimenterne havde fungeret tilfredsstillende, det præcise teoretiske arbejde fulgte, som blev udført på det tekniske universitet i Berlin. Berlin-forskerne Ermin Malic og Andreas Knorr bekræftede, ved hjælp af komplekse beregninger, Dresden-gruppens antagelser og gav detaljeret indsigt i de underliggende mekanismer. HZDR-forskerne samarbejdede desuden med det franske High Magnetic Field Laboratory i Grenoble (Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses - LNCMI), Charles University Prag og Georgia Institute of Technology i Atlanta (USA).