Grafen – ett atomtjockt ark av kol – har utpekats som ett nytt undermaterial:det är starkare än stål och leder elektricitet bättre än koppar.

I journalen Naturens nanoteknik i dag, mina kollegor och jag visar hur grafen kan användas för att bygga en detektor med lång våglängd (långt infrarött eller terahertz) ljus som är lika känslig som alla befintliga detektorer, men mycket mindre och mer än en miljon gånger snabbare. Detektorn kan förbättra nattsynsglasögon, kemiska analysverktyg och kroppsskannrar på flygplatser.

Men innan jag går in på forskningen, Jag skulle vilja prata om hur vi kommer från upptäckten av ett nytt undermaterial som grafen till ny teknik som är användbar.

Som forskare som arbetar med nya material, Jag får ständigt frågan "vad är det bra för?" För att svara på detta, det första vi forskare ofta försöker är att föreställa oss det nya materialet som en ersättning för ett befintligt i en befintlig teknik.

Problemet med det tillvägagångssättet är att all befintlig teknik har mycket fart. Till exempel, överväg datorprocessorer. Elektronerna i grafen rör sig cirka 70 gånger snabbare än de i kisel (används i de flesta datorprocessorer idag) under samma förhållanden, så grafen kan utan tvekan användas för att göra snabbare datorchips.

Men det är inte så enkelt. Det finns många anledningar till att vi använder kisel förutom den hastighet med vilken elektroner färdas – det bildar lätt en stark oxidbeläggning och det är lätt att dopa, för att nämna ett par. Och att byta till ett radikalt annat material skulle innebära att man kastade bort all infrastruktur som används för att tillverka kiselchips som utvecklats till enorma kostnader under de senaste decennierna.

Så en bättre fråga – även om det är mycket svårare att svara på – är att fråga vad ett nytt material kan göra det möjligt för oss att göra som inget annat material har gjort tidigare. Svaren på den frågan kommer inte alltid direkt, och ibland kommer de serendipitously.

Två lager är bättre än ett

En egenskap hos grafen som intresserade mig var att tvåskiktsgrafen (två lager staplade på varandra) har ett bandgap – den grundläggande egenskapen hos en halvledare – som kan ställas in genom att applicera ett elektriskt fält på materialet.

Jag slog mig ihop med forskare vid University of Maryland för att försöka mäta detta bandgap med infrarött ljus, eftersom infraröda fotoner har energier som liknar tvålagers grafens bandgap. När vi mätte konduktansen hos vårt tvåskiktsgrafen under infraröd belysning, vi upptäckte att det förändrades mycket mer än vi förväntade oss.

Faktiskt, förändringen i konduktans i vår grafen var större än för den kommersiella kiselfotodetektorn vi använde för att mäta kraften hos vår infraröda stråle! Av någon anledning, vår grafen var en utmärkt fotodetektor.

Vi visste tillräckligt mycket om grafen för att ta reda på vad som hände. När elektronerna i grafen absorberar ljus, de värms upp. I de flesta material, elektronerna tappar snabbt energi till atomernas vibrationer, som vi känner som värme.

Men i grafen är denna värmeförlustprocess mycket ineffektiv, vilket ger grafen dess utomordentligt höga elektriska ledningsförmåga. Vad vi insåg är att tvåskiktsgrafen med ett bandgap har en konduktans som varierar kraftigt med elektrontemperaturen, så att vi kan avläsa förändringen i elektrontemperatur som orsakas av ljuset som värmer upp elektronerna.

En sådan anordning kallas en "het elektronbolometer" och tvåskiktsgrafen är mycket bra. Vi publicerade vårt resultat i tidskriften Naturens nanoteknik under 2012, och flera forskargrupper är intresserade av att utveckla grafenbolometrar som utsökt känsliga kryogena detektorer för användning inom radioastronomi.

Tyvärr, den bolometriska effekten fungerar bara bra vid låg temperatur, där tvåskiktsgrafens motstånd förändras kraftigt med temperaturen. Men vi visste från våra mätningar att heta elektroneffekter borde vara viktiga i grafen vid rumstemperatur.

Vårt team designade en enhet som kunde mäta de heta elektronerna vid rumstemperatur, med hjälp av en effekt som kallas termoelektricitet. Våra första fototermoelektriska grafendetektorer var jämförbara i känslighet med de bästa tillgängliga rumstemperaturdetektorerna för ljus i det avlägsna infraröda, eller terahertz, regim av det elektromagnetiska spektrumet, och vi såg utrymme för förbättringar av storleksordningar i känslighet med nya konstruktioner.

Intressant, våra enheter var mer än en miljon gånger snabbare än dessa detektorer, och det är dessa resultat vi publicerar idag, in igen Naturens nanoteknik .

Grafen visar oss ljuset

Detektering av infrarött och terahertz ljus har många användningsområden, från kemisk analys till mörkerseendeglasögon till kroppsskannrar som används inom flygplatssäkerhet.

Men eftersom en ultrasnabb, känslig terahertz-detektor hade aldrig ansetts vara en möjlighet tidigare, det är svårt att säga var våra enheter kan användas.

Vår detektor kan användas för att påskynda kemiska analystekniker som Fourier transform infraröd spektroskopi, eller FTIR.

Eftersom grafendetektorn är lätt att mikrotillverka, vi föreställer oss arrayer av detektorpixlar som är lämpliga för avbildning, vilket kan leda till billiga infraröda kameror eller mörkerseende.

Våra beräkningar visar att den heta elektronens fototermoelektriska effekten kan vara ett effektivt sätt att samla energi från ljus. Kanske skulle våra enheter kunna användas för att samla in det infraröda ljuset som flyr jorden till natthimlen, och förvandla det till el. Kanske kommer de att användas till något som vi inte ens har tänkt på än.

Men hade vi aldrig gett oss ut på att undersöka ett nytt material bara för att förstå hur det fungerar, vi skulle aldrig ha upptäckt dessa nya svar på frågan, "vad är det bra för?"

Den här historien publiceras med tillstånd av The Conversation (under Creative Commons-Attribution/No derivatives).