Grafen flager som et ultrahurtigt stopur

Forskere ved Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), arbejde med kolleger fra USA og Tyskland, har udviklet en ny optisk detektor fra grafen, som reagerer meget hurtigt på indfaldende lys af alle forskellige bølgelængder og endda fungerer ved stuetemperatur. Det er første gang, at en enkelt detektor har været i stand til at overvåge spektralområdet fra synligt lys til infrarød stråling og helt igennem til terahertz-stråling. HZDR-forskerne bruger allerede den nye grafendetektor til den nøjagtige synkronisering af lasersystemer.

En lille flage af grafen på siliciumcarbid og en futuristisk udseende antenne, og der er den - den nye grafendetektor. Som intet andet enkelt detektorsystem, der er gået før, denne forholdsvis enkle og billige konstruktion kan dække det enorme spektralområde fra synligt lys hele vejen til terahertz-stråling. "I modsætning til andre halvledere som silicium eller galliumarsenid, grafen kan opfange lys med et meget stort udvalg af fotonenergier og omdanne det til elektriske signaler. Vi havde kun brug for en bredbåndsantenne og det rigtige substrat for at skabe de ideelle forhold, " forklarede Dr. Stephan Winnerl, fysiker ved Institute of Ion Beam Physics and Materials Research ved HZDR.

Tilbage i 2013, Martin Mittendorff, som var ph.d.-studerende ved HZDR på det tidspunkt, havde udviklet forløberen til grafendetektoren. I sin nuværende stilling som postdoc ved University of Maryland, han har nu perfektioneret det med sine Dresden-kolleger og med videnskabsmænd fra Marburg, Regensburg og Darmstadt. Sådan virker det:grafenflage- og antennesamlingen absorberer strålerne, derved overfører fotonernes energi til elektronerne i grafenen. Disse "varme elektroner" øger detektorens elektriske modstand og genererer hurtige elektriske signaler. Detektoren kan registrere indfaldende lys på kun 40 picosekunder - det er milliardtedele af et sekund.

Bredt spektralområde opnået gennem siliciumcarbidsubstrat

Valget af underlag har nu vist sig at være et afgørende skridt i forbedringen af ​​den lille lysfælde. "Halvledersubstrater brugt i fortiden har altid absorberet nogle bølgelængder, men siliciumcarbid forbliver passiv i spektralområdet, " forklarede Stephan Winnerl. Så er der også en antenne, som fungerer som en tragt og fanger langbølget infrarød og terahertz-stråling. Forskerne har derfor været i stand til at øge spektralområdet med en faktor på 90 i forhold til den tidligere model, gør den kortest detekterbare bølgelængde 1000 gange mindre end den længste. Til sammenligning, rødt lys, som har den længste bølgelængde, der er synlig for det menneskelige øje, er kun dobbelt så lang som violet lys, der har den korteste bølgelængde på det synlige spektrum.

Denne optiske universaldetektor bliver allerede brugt på HZDR til den nøjagtige synkronisering af de to frie elektronlasere på ELBE Center for High-Power Radiation Sources med andre lasere. Denne justering er især vigtig for "pumpesonde"-eksperimenter, som de hedder, hvor forskeren tager en laser til excitation af et materiale ("pumpe") og derefter bruger en anden laser med en anden bølgelængde til målingen ("sonde"). Laserimpulserne skal være nøjagtigt synkroniserede til sådanne eksperimenter. Så forskerne bruger grafendetektoren som et stopur. Den fortæller dem, hvornår laserimpulserne når deres mål, og den store båndbredde er med til at forhindre et skift af detektor i at være en potentiel fejlkilde. En anden fordel er, at alle målingerne kan foregå ved stuetemperatur, undgår behovet for de dyre og tidskrævende nitrogen- eller heliumkølingsprocesser med andre detektorer.