Forskare vid Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har studerat dynamiken hos elektroner från "undermaterialet" grafen i ett magnetfält för första gången. Detta ledde till upptäckten av ett till synes paradoxalt fenomen i materialet. Dess förståelse kan göra en ny typ av laser möjlig i framtiden. Tillsammans med forskare från Berlin, Frankrike, Tjeckien och USA, forskarna beskrev exakt sina observationer i en modell och har nu publicerat sina resultat i den vetenskapliga tidskriften Naturfysik .

Grafen anses vara ett "undermaterial":dess brotthållfasthet är högre än stål och det leder elektricitet och värme mer effektivt än koppar. Som en tvådimensionell struktur bestående av endast ett enda lager av kolatomer, den är också flexibel, nästan transparent och ungefär en miljon gånger tunnare än ett pappersark. Vidare, strax efter upptäckten för tio år sedan, forskare insåg att energitillstånden för grafen i ett magnetfält - känt som Landau-nivåer - beter sig annorlunda än halvledares. "Många fascinerande effekter har upptäckts med grafen i magnetfält, men elektronernas dynamik har aldrig studerats i ett sådant system förrän nu, " förklarar fysikern Dr. Stephan Winnerl från HZDR.

HZDR-forskarna exponerade grafenet för ett fyra Tesla-magnetfält - fyrtio gånger starkare än en hästskomagnet. Som ett resultat, elektronerna i grafen upptar bara vissa energitillstånd. De negativt laddade partiklarna tvingades praktiskt taget på spår. Dessa energinivåer undersöktes sedan med frielektronlaserljuspulser vid HZDR. "Laserpulsen exciterar elektronerna till en viss Landau-nivå. En temporärt fördröjd puls undersöker sedan hur systemet utvecklas, " förklarar Martin Mittendorff, doktorand vid HZDR och första författare till uppsatsen.

Omfördelning av elektroner överraskar forskarna

Resultatet av experimenten har förvånat forskarna. Denna speciella energinivå, in i vilka nya elektroner pumpades med laser, töms gradvis. Winnerl illustrerar denna paradoxala effekt med hjälp av ett vardagligt exempel:"Föreställ dig en bibliotekarie som sorterar böcker i en bokhylla med tre hyllor. Hon placerar en bok i taget från den nedre hyllan på den mellersta hyllan. Hennes son "hjälper till" samtidigt genom att ta två böcker från mittenhyllan, placera en av dem på översta hyllan, den andra på botten. Sonen är väldigt ivrig och nu minskar antalet böcker på mittenhyllan trots att det är just den hyllan hans mamma vill fylla."

Eftersom det varken fanns experiment eller teorier om sådan dynamik tidigare, Dresden-fysikerna hade till en början svårt att tolka signalerna korrekt. Efter ett antal försök, dock, de hittade en förklaring:kollisioner mellan elektroner orsakar denna ovanliga omställning. "Denna effekt har länge varit känd som Auger scattering, men ingen förväntade sig att det skulle vara så starkt och att en energinivå skulle bli uttömd, " förklarar Winnerl.

Denna nya upptäckt skulle kunna användas i framtiden för att utveckla en laser som kan producera ljus med godtyckligt justerbara våglängder i det infraröda och terahertzområdet. "En sådan laser på Landau-nivå ansågs länge vara omöjlig, men nu med grafen kan halvledarfysikernas dröm bli verklighet, säger Winnerl entusiastiskt.

Berlin-forskare beräknar komplex modell för Dresden-experiment

Efter att den grundläggande modellen som användes i experimenten hade fungerat tillfredsställande, det exakta teoretiska arbetet följde, som genomfördes vid tekniska universitetet i Berlin. Berlin-forskarna Ermin Malic och Andreas Knorr bekräftade, med hjälp av komplexa beräkningar, Dresdengruppens antaganden och gav detaljerade insikter om de underliggande mekanismerna. HZDR-forskarna samarbetade dessutom med French High Magnetic Field Laboratory i Grenoble (Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses - LNCMI), Charles University Prague och Georgia Institute of Technology i Atlanta (USA).