(Phys.org) -- En pålagd elektrisk spänning kan få en kvadratcentimeter grafenskiva att ändra och kontrollera överföringen av elektromagnetisk strålning med våglängder från terahertz till midinfrarött.

Experimentet vid Rice University främjar vetenskapen om att manipulera speciella våglängder av ljus på sätt som kan vara användbara i avancerad elektronik och optoelektroniska avkänningsanordningar.

I tidigare arbeten, fysikern Junichiro Konos rislabb hittade ett sätt att använda arrayer av kolnanorör som en nästan perfekt terahertz-polarisator. Den här gången, teamet som leds av Kono arbetar på en ännu mer grundläggande nivå; forskarna kopplar ihop ett ark grafen – den enatomtjocka formen av kol – för att lägga på en elektrisk spänning och på så sätt manipulera vad som kallas Fermi-energi. Den där, i tur och ordning, låter grafenen fungera som en sil eller en slutare för ljus.

Upptäckten av Kono och hans kollegor vid Rice och Institute of Laser Engineering vid Osaka University rapporterades online denna månad i tidskriften American Chemical Society Nanobokstäver .

I grafen, "elektroner rör sig som fotoner, eller ljus. Det är det snabbaste materialet för att flytta elektroner vid rumstemperatur, sade Kono, en professor i elektro- och datateknik samt i fysik och astronomi. Han noterade att många grupper har undersökt de exotiska elektriska egenskaperna hos grafen vid noll eller låga frekvenser.

"Det har förekommit teoretiska förutsägelser om de ovanliga terahertz- och midinfraröda egenskaperna hos elektroner i grafen i litteraturen, men nästan ingenting hade gjorts i det här området experimentellt, " sa Kono.

Nyckeln till det nya arbetet, han sa, är orden "stort område" och "gated".

"Stor eftersom infraröd och terahertz har långa våglängder och är svåra att fokusera på ett litet område, " sa Kono. "Gated betyder helt enkelt att vi fäste elektroder, och genom att applicera en spänning mellan elektroderna och (kisel)substratet, vi kan ställa in Fermi-energin."

Fermienergi är energin från det högsta kvanttillståndet hos elektroner i ett material. Med andra ord, den definierar en linje som skiljer kvanttillstånd som är upptagna av elektroner från de tomma tillstånden. "Beroende på värdet av Fermi-energin, grafen kan vara antingen p-typ (positiv) eller n-typ (negativ), " sa han.

Att göra fina mätningar krävde vad som i nanovärlden anses vara ett mycket stort ark grafen, trots att det var lite mindre än ett frimärke. Kvadratcentimetern atomtjockt kol odlades i Rice-kemisten James Tours labb, en medförfattare till tidningen, och guldelektroder fästes i hörnen.

Att höja eller sänka den applicerade spänningen justerade Fermi-energin i grafenarket, vilket i sin tur ändrade tätheten av fria bärare som är bra absorbenter av terahertz- och infraröda vågor. Detta gav grafenarket förmågan att antingen absorbera några eller alla terahertz- eller infraröda vågor eller låta dem passera. Med en spektrometer, teamet fann att terahertz-överföringen nådde en topp med nästan noll Fermi-energi, runt plus-30 volt; med mer eller mindre spänning, grafenen blev mer ogenomskinlig. För infraröd, effekten var den motsatta, han sa, eftersom absorptionen var stor när Fermi-energin var nära noll.

"Det här experimentet är intressant eftersom det låter oss studera de grundläggande terahertzegenskaperna hos fria bärare med elektroner (tillförda av grindspänningen) eller utan, " sa Kono. Forskningen sträckte sig till analys av de två metoder som grafen absorberar ljus:genom interband (för infraröd) och intraband (för terahertz) absorption. Kono och hans team fann att att variera våglängden på ljus som innehåller både terahertz- och infraröda frekvenser möjliggjorde en övergång från absorptionen av den ena till den andra. "När vi varierar fotonenergin, vi kan smidigt övergå från intraband-terahertz-regimen till det interbandsdominerade infraröda. Detta hjälper oss att förstå fysiken som ligger bakom processen, " sa han.

De fann också att termisk glödgning – uppvärmning – av grafenen renar den från föroreningar och förändrar dess Fermi-energi, han sa.

Kono sa att hans labb kommer att börja bygga enheter samtidigt som han undersöker nya sätt att manipulera ljus, kanske genom att kombinera grafen med plasmoniska element som skulle tillåta en finare grad av kontroll.

Medförfattare till tidningen inkluderar tidigare Rice-studenter Lei Ren, Jun Yao och Zhengzong Sun; Rice doktorand Qi Zhang; Rice postdoktorala forskare Zheng Yan och Sébastien Nanot; tidigare postdoktor för Rice Zhong Jin; och doktorand Ryosuke Kaneko, biträdande professor Iwao Kawayama och professor Masayoshi Tonouchi vid Laser Engineering Institute, Osaka universitet.