En ny studie förutspår att forskare kan använda spiralpulser av laserljus för att förändra grafenens natur, förvandla den från en metall till en isolator och ge den andra speciella egenskaper som kan användas för att koda information.

Resultaten, publicerad 11 maj i Naturkommunikation , bana väg för experiment som skapar och kontrollerar nya materiatillstånd med denna specialiserade form av ljus, med potentiella tillämpningar inom datorer och andra områden.

"Det är som om vi tar en bit lera och förvandlar den till guld, och när laserpulsen försvinner går guldet tillbaka till lera, sa Thomas Devereaux, en professor vid Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory och chef för Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES), ett gemensamt SLAC/Stanford-institut.

"Men i det här fallet, " han sa, "Våra simuleringar visar att vi teoretiskt skulle kunna ändra grafenens elektroniska egenskaper, vänder den fram och tillbaka från ett metalliskt tillstånd, där elektronerna flödar fritt, till ett isolerande tillstånd. I digitala termer är det som att växla mellan noll och ett, på och av, Ja och nej; den kan användas för att koda information i ett datorminne, till exempel. Det som gör det här coolt och intressant är att du kan göra elektroniska växlar med ljus istället för elektroner."

Devereaux ledde studien med Michael Sentef, som började arbetet som postdoktor vid SLAC och är nu vid Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter i Tyskland.

Tweaking ett undermaterial

Grafen är en ren form av kol bara en atom tjock, med sina atomer ordnade i ett bikakemönster. Firat som ett undermaterial sedan det upptäcktes för 12 år sedan, det är flexibelt, nästan genomskinlig, en suverän ledare av värme och elektricitet och ett av de starkaste materialen som finns. Men trots många försök, forskare har inte hittat något sätt att förvandla det till en halvledare - materialet i hjärtat av mikroelektronik.

En tidigare studie visade att det kan vara möjligt att ta ett steg i den riktningen genom att träffa ett material med cirkulärt polariserat ljus – ljus som spiralformar antingen medurs eller moturs när det färdas, en egenskap som också kan beskrivas som höger- eller vänsterhänthet. Detta skulle skapa ett "bandgap, "ett spektrum av energier som elektroner inte kan uppta, vilket är ett av kännetecknen för en halvledare.

I SIMES-studien, teoretiker använde DOE:s National Energy Research Scientific Computing Center vid Lawrence Berkeley National Laboratory för att utföra storskaliga simuleringar av ett experiment där grafen träffas med cirkulärt polariserade pulser på några miljondelar av en miljarddels sekund långa.

Att komma så nära verkligheten som möjligt

"Tidigare studier baserades på analytiska beräkningar och på idealiserade situationer, sa Martin Claassen, en doktorand i Stanford i Devereauxs grupp som gjorde viktiga bidrag till studien. "Den här försökte simulera vad som händer under så nära verkliga experimentella förhållanden som du kan komma, ända ner till formen på laserpulserna. Att göra en sådan simulering kan berätta vilka typer av experiment som är genomförbara och identifiera regioner där du kan hitta de mest intressanta förändringarna i dessa experiment."

Simuleringarna visar att handigheten hos laserljuset skulle interagera med en lätt handenhet i grafenet, vilket inte är helt enhetligt. Denna interaktion leder till intressanta och oväntade egenskaper, sade SLAC-personalforskaren och studiemedförfattaren Brian Moritz. Det ger inte bara ett bandgap, men det inducerar också ett kvanttillstånd där grafenet har ett så kallat "Chern-tal" på antingen ett eller noll, som härrör från ett fenomen som kallas Berry curvature och erbjuder ett annat på/av-läge som forskare kanske kan utnyttja.

Insikter går utöver grafen

Även om denna studie inte omedelbart öppnar sätt att tillverka elektroniska enheter, det ger forskarna grundläggande insikter som främjar vetenskapen i den riktningen. Resultaten är också relevanta för material som kallas dikalkogenider (uttalas färgämne-cal-CAW-gin-eyeds), som också är tvådimensionella ark av atomer arrangerade i en bikakestruktur.

Dichalcogenides är i fokus för intensiv forskning vid SIMES och runt om i världen på grund av deras potential för att skapa "valleytronic"-enheter. Inom valleytronics, elektroner rör sig genom en tvådimensionell halvledare som en våg med två energidalar vars egenskaper kan användas för att koda information. Möjliga applikationer inkluderar ljusdetektorer, lågenergidatorlogik och datalagringschips och kvantberäkning. Förutom arbetet med grafen, medlemmar av forskargruppen har också simulerat experiment som involverar interaktion mellan ljus och dikalkogenider.

"I sista hand, " sade Moritz, "vi försöker förstå hur interaktion med ljus kan förändra ett materials karaktär och egenskaper för att skapa något som är både nytt och intressant ur en teknisk synvinkel."