Grafen har väckt mycket spänning bland forskare sedan det extremt starka och tunna kolmaterialet upptäcktes 2004. Bara en atom tjock, det bikakeformade materialet har flera anmärkningsvärda egenskaper som kombinerar mekanisk seghet med överlägsen elektrisk och termisk ledningsförmåga.

Nu är en grupp forskare vid Iowa State University, ledd av fysikern Jigang Wang, har visat att grafen har två andra egenskaper som kan ha tillämpningar i höghastighetstelekommunikationsenheter och laserteknik – populationsinversion av elektroner och bredbandsoptisk förstärkning.

Wang är biträdande professor vid institutionen för fysik och astronomi vid College of Liberal Arts and Sciences vid Iowa State University. Han är också en associerad forskare vid Department of Energy's Ames Laboratory.

Wangs team blinkade extremt korta laserpulser på grafen. Forskarna upptäckte omedelbart ett nytt fotoexciterat grafentillstånd som kännetecknas av en bredbandspopulationsinversion av elektroner. Under normala förhållanden, de flesta elektroner skulle ockupera lågenergitillstånd och bara ett fåtal skulle befolka högre energitillstånd. I befolkningsinverterade stater, denna situation är omvänd:fler elektroner befolkas högre, snarare än lägre, energitillstånd. Sådana populationsinversioner är mycket sällsynta i naturen och kan ha mycket ovanliga egenskaper. I grafen, det nya tillståndet producerar en optisk förstärkning från det infraröda till det synliga.

Enkelt uttryckt, optisk förstärkning innebär att mer synligt ljus kommer ut än som går in. Detta kan bara hända när förstärkningsmediet pumpas externt och sedan stimuleras med ljus (stimulerad emission). Wangs upptäckt kan öppna dörrar för effektiva förstärkare inom telekommunikationsindustrin och extremt snabba optoelektronikenheter.

Grafen som förstärkningsmedium för ljusförstärkning

"Det är väldigt spännande, " Wang sa. "Det öppnar möjligheten att använda grafen som ett förstärkningsmedium för ljusförstärkning. Den kan användas för att tillverka optiska bredbandsförstärkare eller höghastighetsmodulatorer för telekommunikation. Det ger till och med implikationer för utvecklingen av grafenbaserade lasrar."

Wangs team presenterade sina resultat i tidskriften Physical Review Letters den 16 april. Förutom Wang, tidningens andra författare är Tianq Li, Liang Luo och Junhua Zhang, Iowa State fysik doktorander; Miron Hupalo, Ames Laboratory forskare; och Michael Tringides och Jörg Schmalian, Iowa State fysikprofessorer och Ames Laboratory-forskare.

Wang är medlem i Condensed Matter Physics-programmet i Iowa State och Ames Laboratory. Han och hans team genomför optiska experiment med laserspektroskopi, från det synliga till det mellaninfraröda och fjärrinfraröda spektrumet. De använder ultrakorta laserpulser ner till 10 kvadrilliondelar av en sekund för att studera världen av nanovetenskap och korrelerade elektronmaterial.

År 2004 upptäckte de brittiska forskarna Andre Geim och Konstantin Novoselov grafen, vilket ledde till att de vann Nobelpriset i fysik 2010. Grafen är ett tvådimensionellt (höjd och bredd) material med en växande lista över kända unika egenskaper. Det är ett enda lager av kol endast en atom tjockt. Kolatomerna är sammankopplade i ett hexagonalt gitter som ser ut som en bikaka. Trots brist på bulk, grafen är starkare än stål, den leder el såväl som koppar och leder värme ännu bättre. Den är också flexibel och nästan transparent.

Det fanns en förståelsesklyfta, Wang förklarade, mellan de två forskarsamhällen som studerade grafens elektroniska och fotoniska egenskaper. Han trodde att hans grupp kunde hjälpa till att överbrygga klyftan genom att utveckla de icke-linjära optiska egenskaperna hos grafen och förstå det elektroniska tillståndet i icke-jämvikt. Wang förklarade att linjära optiska egenskaper bara överför ljus - en ljussignal kommer in i ett material och en kommer ut. "Den icke-linjära egenskapen kan ändra och modulera signalen, inte bara överföra det, producerar funktionalitet för nya enhetsapplikationer."

Grafen i ett mycket icke-linjärt tillstånd

Wang sa att andra forskare har studerat grafens optiska egenskaper, men främst i den linjära regimen. Hans team antog att de kunde generera ett nytt "mycket okonventionellt tillstånd" av grafen vilket resulterar i populationsinversion och optisk vinst.

"Vi var den första gruppen som slog ny mark, att börja titta på det i ett starkt exciterat tillstånd bestående av extremt täta elektroner – ett högst icke-linjärt tillstånd. I ett sådant tillstånd, grafen har unika egenskaper."

Wangs grupp började med högkvalitativa grafenmonoskikt odlade av Hupalo och Tringides i Ames Laboratory. Forskarna använde en ultrasnabb laser för att "excitera" materialets elektroner med korta ljuspulser bara 35 femtosekunder långa (35 kvadrilliondelar av en sekund). Genom mätningar av fotoinducerade elektroniska tillstånd, Wangs team fann att den optiska ledningsförmågan (eller absorptionen) av grafenskikten ändrades från positiv till negativ – vilket resulterade i den optiska förstärkningen – när pumpens pulsenergi ökades över ett tröskelvärde.

Resultaten visade att populationens inverterade tillstånd i fotoexciterad grafen avgav mer ljus än det absorberade. "Absorptionen var negativ. Det innebar att populationsinversion verkligen är etablerad i det exciterade grafenet och mer ljus kom ut ur det inverterade mediet än vad som kom in, som är optisk förstärkning, " Wang sa. "Ljuset som sänds ut visar en ökning på cirka en procent för ett lager som bara är en atom tjockt, en siffra i samma ordning som vad man kan se i konventionella optiska halvledarförstärkare hundratals gånger tjockare."

Nyckeln till experimenten, självklart, skapade det mycket icke-linjära tillståndet, något "som normalt inte existerar i termisk jämvikt, ", sa Wang. "Du kan inte bara lägga grafen under ljuset och studera det. Du måste verkligen excitera elektronerna med den ultrasnabba laserpulsen och ha kunskapen om tröskelbeteendena för att komma till ett sådant tillstånd."

Wang sa att mycket mer ingenjörs- och materialperfektion ligger framför dig innan grafens fulla potential för lasrar och optisk telekommunikation någonsin förverkligas. "Forskningen visar tydligt, fastän, att lysande av grafener kan ge ljusare utsläpp såväl som en ljus framtid, " han sa.