Grafen anses vara materialvetenskapens absoluta bransch:Det tvådimensionella bikakeformade gittret som består av kolatomer är starkare än stål och uppvisar extremt höga laddningsbärares rörlighet. Det är också transparent, lätt och flexibel. Inte konstigt att det finns gott om applikationer för det – t.ex. i mycket snabba transistorer och flexibla displayer. Ett team ledd av forskare från Max Planck-institutet för materiens struktur och dynamik i Hamburg har visat att det också uppfyller ett viktigt villkor för användning i nya lasrar för terahertz-pulser med långa våglängder. Den direkta emissionen av terahertzstrålning skulle vara användbar inom vetenskapen, men ingen laser har ännu utvecklats som kan ge det. Teoretiska studier har tidigare antytt att det skulle kunna vara möjligt med grafen. Dock, det fanns välgrundade tvivel - som laget i Hamburg nu har skingrat. På samma gång, forskarna upptäckte att tillämpningsområdet för grafen har sina begränsningar:i ytterligare mätningar, de visade att materialet inte kan användas för effektiv ljusskörd i solceller.

En laser förstärker ljus genom att generera många identiska kopior av fotoner - kloning av fotoner, som det var. Processen för att göra det kallas stimulerad strålningsemission. En foton som redan producerats av lasern får elektroner i lasermaterialet (en gas eller fast material) att hoppa från ett högre energitillstånd till ett lägre energitillstånd, sänder ut en andra helt identisk foton. Denna nya foton kan, i tur och ordning, generera fler identiska fotoner. Resultatet är en virtuell lavin av klonade fotoner. En förutsättning för denna process är att fler elektroner befinner sig i det högre energitillståndet än i det lägre energitillståndet. I princip, varje halvledare kan uppfylla detta kriterium.

Tillståndet som kallas populationsinversion producerades och demonstrerades i grafen av Isabella Gierz och hennes kollegor vid Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter, tillsammans med Central Laser Facility i Harwell (England) och Max Planck Institute for Solid State Research i Stuttgart. Upptäckten är överraskande eftersom grafen saknar en klassisk halvledaregenskap, som länge ansågs vara en förutsättning för befolkningsinversion:ett så kallat bandgap. Bandgapet är en region av förbjudna energitillstånd, som skiljer grundtillståndet för elektronerna från ett exciterat tillstånd med högre energi. Utan överflödig energi, det exciterade tillståndet ovanför bandgapet kommer att vara nästan tomt och marktillståndet under bandgapet nästan helt befolkat. En populationsinversion kan uppnås genom att lägga till excitationsenergi till elektroner för att ändra deras energitillstånd till det ovanför bandgapet. Det är så lavineffekten som beskrivs ovan produceras.

Tills nu, terahertz-pulser har endast genererats via ineffektiva icke-linjära optiska processer

Dock, det förbjudna bandet i grafen är oändligt litet. "Ändå, elektronerna i grafen beter sig på samma sätt som i en klassisk halvledare", säger Isabella Gierz. Till en viss grad, grafen kan ses som en halvledare med noll bandgap. På grund av frånvaron av ett bandgap, populationsinversionen i grafen varar bara i cirka 100 femtosekunder, mindre än en biljondels sekund. "Det är därför grafen inte kan användas för kontinuerliga lasrar, men potentiellt för ultrakorta laserpulser", Gierz förklarar.

En sådan grafenlaser skulle vara särskilt användbar för forskningsändamål. Den skulle kunna användas för att förstärka laserljus med mycket långa våglängder; så kallad terahertzstrålning. Denna typ av laserljus skulle kunna användas i grundforskning för att studera, till exempel, högtemperatursupraledare. Hittills, terahertzstrålning har producerats med hjälp av jämförelsevis ineffektiva, så kallade icke-linjära optiska processer. Dessutom, det tillgängliga våglängdsområdet begränsas ofta av det icke-linjära materialet som används. De senaste fynden indikerar att grafen kan användas för bred bandbreddsförstärkning av godtyckligt långa våglängder.

Dock, det Hamburg-baserade teamet krossade också vissa materialforskares förhoppningar – som det visar sig, grafen är förmodligen inte lämpat för att omvandla solstrålning till elektricitet i solceller. "Enligt våra mått, en enda foton i grafen kan inte frigöra flera elektroner, som tidigare väntat", säger Gierz. Detta är en förutsättning för en effektiv omvandling av strålning till el.

Kiselkarbid kan användas för att producera grafen för lasrar

Forskarna i Hamburg studerade grafen med en metod som kallas tidsupplöst fotoemissionsspektroskopi. Detta innebar att belysa materialet med ultrakorta ultravioletta (UV) ljuspulser. Som en konsekvens tvingas elektronerna ut ur provet och fysikerna mäter sin energi och utgångsvinkel. De resulterande data används för att fastställa energifördelningen av elektroner i materialet. Tidsupplösning uppnås genom att fördröja ankomsttiden för UV-sondens puls med avseende på en godtycklig excitationspuls.

I detta experiment, elektronerna i grafenet exciterades med infrarött laserljus. Sedan använde forskarna fotoemissionsspektroskopi för att visa förekomsten av populationsinversion. På ett liknande sätt, de fastställde att bärarförökning inte kunde uppnås genom strålning.

Grafenen producerades av forskarna genom termisk nedbrytning av kiselkarbid. Enligt Gierz, denna procedur kan också användas för att göra en grafenlaser, eftersom kiselkarbid är transparent och inte kommer att störa terahertzstrålning. Dock, fysikern medger att det återstår mycket utvecklingsarbete för att producera en grafenlaser.