grafen, en exotisk form av kol bestående av ark med en enda atom tjock, uppvisar en ny reaktion på ljus, MIT -forskare har funnit:Sparked by light's energy, materialet kan producera elektrisk ström på ovanliga sätt. Fyndet kan leda till förbättringar av fotodetektorer och mörkerseendesystem, och möjligen till ett nytt tillvägagångssätt för att generera elektricitet från solljus.

Denna strömgenererande effekt hade observerats tidigare, men forskare hade felaktigt antagit att det berodde på en solcellseffekt, säger Pablo Jarillo-Herrero, en biträdande professor i fysik vid MIT och senior författare till en ny artikel publicerad i tidskriften Vetenskap . Tidningens huvudförfattare är postdoc Nathaniel Gabor; medförfattare inkluderar fyra MIT-studenter, MIT -fysikprofessor Leonid Levitov och två forskare vid National Institute for Materials Science i Tsukuba, Japan.

Istället, forskarna från MIT fann att ljuset lyser på ett ark grafen, behandlad så att den hade två regioner med olika elektriska egenskaper, skapar en temperaturskillnad som, i tur och ordning, genererar en ström. Grafen värms inkonsekvent när det belyses av en laser, Jarillo-Herrero och hans kollegor fann:Materialets elektroner, som bär ström, värms upp av ljuset, men gallret av kolkärnor som bildar grafens ryggrad förblir svalt. Det är denna temperaturskillnad i materialet som producerar flödet av elektricitet. Denna mekanism, kallade ett "hot-carrier" -svar, "är väldigt ovanligt, säger Jarillo-Herrero.

Sådan differentiell uppvärmning har observerats tidigare, men bara under mycket speciella omständigheter:antingen vid ultralåga temperaturer (mätt i tusendelar av en grad över absolut noll), eller när material sprängs med intensiv energi från en högeffektlaser. Detta svar i grafen, däremot förekommer över ett brett temperaturintervall hela vägen upp till rumstemperatur, och med ljus inte mer intensivt än vanligt solljus.

Anledningen till denna ovanliga termiska reaktion, Jarillo-Herrero säger, är det grafen, pund för pund, det starkaste materialet som är känt. I de flesta material, överhettade elektroner skulle överföra energi till gittret runt dem. När det gäller grafen, dock, det är oerhört svårt att göra, eftersom materialets styrka innebär att det krävs mycket hög energi för att vibrera dess galler av kolkärnor - så mycket lite av elektronernas värme överförs till det gittret.

Eftersom detta fenomen är så nytt, Jarillo-Herrero säger att det är svårt att veta vad dess ultimata tillämpningar kan vara. "Vårt arbete är mest grundläggande fysik, " säger han, men tillägger att "många tror att grafen kan användas för en mängd olika applikationer."

Men det finns redan några förslag, han säger:Grafen "kan vara en bra fotodetektor" eftersom den producerar ström på ett annat sätt än andra material som används för att detektera ljus. Den "kan också detektera över ett mycket brett energiområde, säger Jarillo-Herrero. Till exempel, det fungerar mycket bra i infrarött ljus, vilket kan vara svårt för andra detektorer att hantera. Det kan göra det till en viktig komponent i enheter från mörkerseendesystem till avancerade detektorer för nya astronomiska teleskop.

Det nya arbetet föreslår att grafen också kan hitta användningsområden för detektering av biologiskt viktiga molekyler, som gifter, sjukdomsvektorer eller livsmedelsföroreningar, många av dem avger infrarött ljus när de är upplysta. Och grafen, gjord av rent och rikligt kol, kan vara ett mycket billigare detektormaterial än för närvarande använda halvledare som ofta innehåller sällsynta, dyra element.

Forskningen tyder också på att grafen kan vara ett mycket effektivt material för att samla in solenergi, Jarillo-Herrero säger, eftersom det reagerar på ett brett spektrum av våglängder; typiska solcellsmaterial är begränsade till specifika frekvenser, eller färger, av ljus. Men mer forskning kommer att behövas, han säger, lägga till, ”Det är fortfarande oklart om det kan användas för effektiv energiproduktion. Det är för tidigt att säga."

"Detta är den absoluta barndomen för grafenfotodetektorer, säger Jarillo-Herrero. "Det finns många faktorer som kan göra det bättre eller snabbare, ” som nu kommer att bli föremål för vidare forskning.

Philip Kim, en docent i fysik vid Columbia University som inte var involverad i denna forskning, säger att arbetet representerar "extremt viktiga framsteg mot optoelektriska och energihämtningsapplikationer" baserat på grafen. Han tillägger att på grund av detta teams arbete, "vi har nu bättre förståelse för fotogenererade heta elektroner i grafen, upphetsad av ljus."