Forskare vid Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), arbeta med kollegor från USA och Tyskland, har utvecklat en ny optisk detektor från grafen som reagerar mycket snabbt på infallande ljus från alla olika våglängder och till och med fungerar vid rumstemperatur. Det är första gången som en enda detektor har kunnat övervaka spektralområdet från synligt ljus till infraröd strålning och ända fram till terahertz -strålning. HZDR -forskarna använder redan den nya grafendetektorn för exakt synkronisering av lasersystem.

En liten fling av grafen på kiselkarbid och en futuristisk utseende antenn, och där är den - den nya grafendetektorn. Som inget annat enda detektorsystem som har gått tidigare, denna relativt enkla och billiga konstruktion kan täcka det enorma spektralområdet från synligt ljus hela vägen till terahertz -strålning. "I motsats till andra halvledare som kisel eller galliumarsenid, grafen kan plocka upp ljus med ett mycket stort utbud av fotonenergier och omvandla det till elektriska signaler. Vi behövde bara en bredbandsantenn och rätt substrat för att skapa de perfekta förutsättningarna, "förklarade Dr Stephan Winnerl, fysiker vid Institute of Ion Beam Physics and Materials Research vid HZDR.

Redan 2013 Martin Mittendorff, som var doktorand vid HZDR vid den tiden, hade utvecklat föregångaren till grafendetektorn. I sin nuvarande tjänst som postdoc vid University of Maryland, han har nu fulländat det med sina kollegor i Dresden och med forskare från Marburg, Regensburg och Darmstadt. Hur det fungerar:grafenflingan och antennaggregatet absorberar strålarna, överför därigenom fotonenergin till elektronerna i grafen. Dessa "heta elektroner" ökar detektorns elektriska motstånd och genererar snabba elektriska signaler. Detektorn kan registrera infallande ljus på bara 40 pikosekunder - det här är miljarddels sekund.

Brett spektralområde uppnått genom kiselkarbidsubstrat

Valet av substrat har nu visat sig vara ett avgörande steg för att förbättra den lilla ljusfällan. "Halvledarsubstrat som använts tidigare har alltid absorberat vissa våglängder men kiselkarbid förblir passiv i spektralområdet, "förklarade Stephan Winnerl. Sedan finns det också en antenn som fungerar som en tratt och fångar långvågig infraröd och terahertz-strålning. Forskarna har därför kunnat öka spektralområdet med en faktor 90 i jämförelse med den tidigare modellen, vilket gör den kortaste detekterbara våglängden 1000 gånger mindre än den längsta. Som jämförelse, rött ljus, som har den längsta våglängden som är synlig för det mänskliga ögat, är bara dubbelt så lång som violett ljus som har den kortaste våglängden på det synliga spektrumet.

Denna optiska universaldetektor används redan vid HZDR för exakt synkronisering av de två frielektronlasrarna vid ELBE Center for High-Power Radiation Sources med andra lasrar. Denna inriktning är särskilt viktig för experiment med "pumpsond", som de kallas, där forskare tar en laser för excitering av ett material ("pump") och sedan använder en andra laser med en annan våglängd för mätningen ("sond"). Laserpulserna måste vara exakt synkroniserade för sådana experiment. Så forskarna använder grafendetektorn som ett stoppur. Det berättar för dem när laserpulserna når sitt mål, och den stora bandbredden hjälper till att förhindra att ett byte av detektor är en potentiell felkälla. En annan fördel är att alla mätningar kan ske vid rumstemperatur, undvika behovet av dyra och tidskrävande kyl- eller heliumkylningsprocesser med andra detektorer.