Forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och University of California, Berkeley har lärt sig att kontrollera kvantvägarna som bestämmer hur ljus sprids i grafen. Kontrollerad spridning ger ett nytt verktyg för att studera detta unika material – grafen är ett enda ark kol som bara är en atom tjockt – och kan peka på praktiska tillämpningar för att kontrollera ljus och elektroniska tillstånd i grafennanoenheter.

Forskargruppen, ledd av Feng Wang från Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning, gjorde den första direkta observationen, i grafen, av så kallad kvantinterferens i Raman-spridning. Ramanspridning är en form av "oelastisk" ljusspridning. Till skillnad från elastisk spridning, där det spridda ljuset har samma färg (samma energi) som det infallande ljuset, oelastiskt spritt ljus förlorar antingen energi eller får den.

Ramanspridning sker i grafen och andra kristaller när en inkommande foton, en partikel av ljus, exciterar en elektron, som i sin tur genererar en fonon tillsammans med en foton med lägre energi. Fononer är vibrationer i kristallgittret, som också behandlas som partiklar av kvantmekaniken.

Kvantpartiklar är lika mycket vågor som partiklar, så att de kan störa varandra och även med sig själva. Forskarna visade att ljusemission kan kontrolleras genom att kontrollera dessa interferensvägar. De presenterar sina resultat i ett kommande nummer av tidskriften Natur , nu tillgänglig i Advance Online Publication.

Manipulera kvantinterferens, i livet och i labbet

"Ett välbekant exempel på kvantinterferens i vardagen är antireflekterande beläggning på glasögon, säger Wang, som också är biträdande professor i fysik vid UC Berkeley. "En foton kan följa två vägar, spridning från beläggningen eller från glaset. På grund av sin kvantnatur följer den faktiskt båda, och beläggningen är utformad så att de två vägarna interfererar med varandra och avbryter ljus som annars skulle orsaka reflektion."

Wang tillägger, "Kvantmekanikens kännetecken är att om olika vägar inte går att särskilja, de måste alltid störa varandra. Vi kan manipulera interferensen mellan de kvantvägar som är ansvariga för Raman-spridning i grafen på grund av grafens säregna elektroniska struktur."

I Raman-spridningen, kvantvägarna är elektroniska excitationer, som stimuleras optiskt av de inkommande fotonerna. Dessa excitationer kan bara inträffa när det ursprungliga elektroniska tillståndet är fyllt (av en laddad partikel som en elektron), och det slutliga elektroniska tillståndet är tomt.

Kvantmekanik beskriver elektroner som fyller ett material tillgängliga elektroniska tillstånd ungefär som vatten fyller utrymmet i ett glas:"vattenytan" kallas Fermi-nivån. Alla elektroniska tillstånd under den är ifyllda och alla stater ovanför är tomma. De fyllda tillstånden kan reduceras genom att "dopa" materialet för att förskjuta Fermi-energin lägre. När Fermi-energin sänks, de elektroniska tillstånden precis ovanför den tas bort, och excitationsvägarna som härrör från dessa tillstånd tas också bort.

"Vi kunde kontrollera excitationsvägarna i grafen genom att elektrostatiskt dopa det - applicera spänning för att driva ner Fermi-energin och eliminera valda tillstånd, " Wang säger. "En fantastisk sak med grafen är att dess Fermi-energi kan förskjutas i storleksordningar större än konventionella material. Detta beror i slutändan på grafens tvådimensionalitet och dess ovanliga elektroniska band."

Fermi-energin hos odopad grafen är belägen vid en enda punkt, där dess elektroniskt fyllda band, grafiskt representerad som en uppåtriktad kon, möta dess elektroniskt tomma band, representeras som en nedåtriktad kon. För att flytta Fermi-energin krävs avsevärt ett starkt elektriskt fält.

Teammedlem Rachel Segalman, en docent i kemiteknik vid UC Berkeley och en fakultetsforskare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning, gav jongelen som var nyckeln till den experimentella enheten. En jongel begränsar en starkt ledande vätska i en polymermatris. Gelén lades över en flaga av grafen, odlas på koppar och överförs till ett isolerande substrat. Laddningen i grafenen justerades av gate-spänningen på jongelen.

"Så genom att höja spänningen sänkte vi grafenens Fermi-energi, att sekventiellt bli av med elektronerna med högre energi, " säger Wang. Eliminerar elektroner, från de högsta energierna och neråt, effektivt eliminerade de vägar som, när de träffas av inkommande fotoner, kunde absorbera dem och sedan sända ut Raman-spridda fotoner.

Vad kommer av störningar, konstruktivt och destruktivt

"Människor har alltid vetat att kvantinterferens är viktigt i Raman-spridning, men det har varit svårt att se, ", säger Wang. "Här är det verkligen lätt att se varje delstats bidrag."

Att ta bort kvantvägar en efter en förändrar hur de kan störa. Förändringarna är synliga i Raman-spridningsintensiteten som sänds ut av den experimentella enheten när den belystes av en stråle av nära-infrarött laserljus. Även om glöden från spridning är mycket svagare än den nära-infraröda exciteringen, förändringar i dess ljusstyrka kan mätas exakt.

"Inom klassisk fysik, du förväntar dig att se det spridda ljuset bli svagare när du tar bort excitationsvägar, säger Wang, men försöksledarens resultat kom som en överraskning för alla. "Istället blev signalen starkare!"

Det spridda ljuset blev ljusare när excitationsvägarna reducerades – vad Wang kallar "en kanonisk signatur av destruktiv kvantinterferens."

Varför "destruktivt?" Eftersom fononer och spridda fotoner kan exciteras av många olika, icke särskiljbara vägar som stör varandra, blockering av en väg kan antingen minska eller öka ljuset från spridning, beroende på om den vägen störde de andra konstruktivt eller destruktivt. I grafen, de lägre och högre energivägarna störde destruktivt. Att ta bort en av dem ökade därmed ljusstyrkan på emissionen.

"Vad vi har visat är kvantinterferensnaturen hos Raman-spridningen, " Wang säger. "Det var alltid där, men det var så svårt att se att det ofta förbises."

I en andra observation, forskarna hittade ännu ett oväntat exempel på oelastisk ljusspridning. Den här, "het elektronluminescens, " inte ett resultat av blockerade kvantvägar, dock.

När en stark spänning appliceras och grafenens Fermi-energi sänks, elektrontillstånd med högre energi töms från det fyllda bandet. Elektroner som är mycket exciterade av inkommande fotoner, tillräckligt för att hoppa till det ofyllda bandet, hitta därför ytterligare chanser att falla tillbaka till de nu lediga staterna i det som var det fyllda bandet. Men dessa "heta" elektroner kan bara falla tillbaka om de sänder ut en foton med rätt frekvens. Den heta elektronluminescens som observerats av forskarna har en integrerad intensitet hundra gånger starkare än Raman-spridningen.

Vägen intagen

Poeten Robert Frost skrev om att han kom på två vägar som divergerade i en skog, och var ledsen att han inte kunde resa båda. Inte bara kan kvantprocesser ta båda vägarna samtidigt, de kan störa sig själva i att göra det.

Forskargruppen, arbetar på UC Berkeley och på Berkeley Labs Advanced Light Source, har visat att oelastisk ljusspridning kan kontrolleras genom att styra interferens mellan mellantillstånden mellan fotonabsorption och emission. Att manipulera den interferensen har möjliggjort nya typer av kvantkontroll av kemiska reaktioner, såväl som av "spintroniska" tillstånd, där inte laddning utan kvantspinn av elektroner påverkas. Starkt förbättrad Raman-spridning kan vara en välsignelse för materialforskning i nanoskala. Varm luminescens är potentiellt attraktiv för optoelektronik och biologisk forskning, där nära-infraröda taggar – även svaga sådana – kan vara mycket användbara.

"På samma sätt fenomenet med het elektronluminescens, eftersom det omedelbart följer excitation av en sondlaser, kan bli ett värdefullt forskningsverktyg, säger Wang, "särskilt för att studera ultrasnabb elektrondynamik, en av de främsta ovanliga egenskaperna hos grafen."