On-demand kontrol af terahertz og infrarøde bølger

Evnen til at kontrollere infrarøde og terahertz-bølger ved hjælp af magnetiske eller elektriske felter er en af ​​de store udfordringer inden for fysik, der kan revolutionere opto-elektronikken, telekommunikation og medicinsk diagnostik. En teori fra 2006 forudsiger, at det burde være muligt at bruge grafen - et monoatomisk lag af kulstofatomer - i et magnetfelt til ikke kun at absorbere terahertz og infrarødt lys efter behov, men også til at styre retningen af ​​cirkulær polarisering. Forskere fra universitetet i Genève (UNIGE), Schweiz, og University of Manchester har haft held med at teste denne teori og opnået de forudsagte resultater. Studiet, offentliggøres i tidsskriftet Natur nanoteknologi , viser, at forskerne fandt en effektiv måde at kontrollere infrarøde og terahertz-bølger på. Det viser også, at grafen holder sine første løfter, og er på vej som fremtidens materiale, om det er på jorden eller i rummet.

"Der findes en klasse af de såkaldte Dirac-materialer, hvor elektronerne opfører sig, som om de ikke har en masse, ligner lette partikler, fotonerne, " forklarer Alexey Kuzmenko, en forsker ved Institut for Kvantestoffysik på UNIGEs Naturvidenskabelige Fakultet, som udførte denne forskning sammen med Ievgeniia Nedoliuk. Et af sådanne Dirac-materialer er grafen, et monolag af kulstofatomer arrangeret i bikagestruktur, relateret til grafit, der bruges til at lave blyanter.

Interaktionen mellem grafen og lys antyder, at dette materiale kunne bruges til at kontrollere infrarøde og terahertz-bølger. "Det ville være et stort skridt fremad for optoelektronikken, sikkerhed, telekommunikation og medicinsk diagnostik, " påpeger den Genève-baserede forsker.

Sikkerhedskopiering af en gammel teori via eksperimenter

En teoretisk forudsigelse fra 2006 hævdede, at hvis et Dirac-materiale placeres i et magnetfelt, det vil producere en meget stærk cyklotronresonans. "Når en ladet partikel er i magnetfeltet, den bevæger sig i en cirkulær bane og absorberer den elektromagnetiske energi i kredsløbet, eller cyklotron, frekvens, som f.eks. det sker i Large Hadron Collider ved CERN, " forklarer Alexey Kuzmenko. "Og når partiklerne har ladning, men ingen masse, som elektroner i grafen, lysabsorptionen er maksimal!"

For at demonstrere denne maksimale absorption, fysikerne havde brug for en meget ren grafen, så elektronerne, der rejser lange afstande, ikke spredes på urenheder eller krystalfejl. Men dette niveau af renhed og gitterrækkefølge er meget vanskeligt at opnå og opnås kun, når grafen er indkapslet i et andet todimensionelt materiale - bornitrid.

UNIGE-forskerne gik sammen med gruppen fra University of Manchester ledet af André Geim - nobelprisvinderen i 2010 i fysik for at opdage grafen - for at udvikle ekstremt rene grafenprøver. Disse prøver, som var usædvanligt store for denne type grafen, var ikke desto mindre for små til at kvantificere cyklotronresonansen med veletablerede teknikker. Det er grunden til, at Genève-forskerne byggede et særligt eksperimentelt setup til at koncentrere den infrarøde og terahertz-stråling på små prøver af ren grafen i magnetfeltet. "Og resultatet af eksperimentet bekræftede teorien fra 2006!" tilføjer Alexey Kuzmenko.

Specialstyret polarisering

Resultaterne viste for første gang, at der faktisk opstår en kolossal magneto-optisk effekt, hvis der bruges et lag af ren grafen. "Den maksimalt mulige magneto-absorption af det infrarøde lys er nu opnået i et monoatomisk lag, " siger Kuzmenko.

Ud over, fysikerne fandt ud af, at det var muligt at vælge, hvilken cirkulær polarisering – venstre eller højre – der skulle absorberes. "Naturlig eller iboende grafen er elektrisk neutral og absorberer alt lys, uanset dens polarisering. Men hvis vi introducerer elektrisk ladede bærere, enten positivt eller negativt, vi kan vælge hvilken polarisering der absorberes, og dette virker både i det infrarøde og terahertz-området, " fortsætter videnskabsmanden. Denne evne spiller en afgørende rolle, især på apoteket, hvor visse vigtige lægemiddelmolekyler interagerer med lys afhængigt af polarisationsretningen. Interessant nok, denne kontrol anses for lovende for søgen efter liv på exoplaneter, da det er muligt at observere signaturerne af den molekylære chiralitet, der er iboende i biologisk stof.

Endelig, fysikerne fandt ud af, at for at observere en stærk effekt i terahertz-området, det er tilstrækkeligt at anvende magnetiske felter, som allerede kunne genereres af billige permanente magneter. Nu hvor teorien er blevet bekræftet, forskerne vil fortsætte med at arbejde på magnetisk justerbare kilder og detektorer af terahertz og infrarødt lys. Grafen fortsætter med at overraske dem.