Möjligheten att styra infraröda och terahertzvågor med hjälp av magnetiska eller elektriska fält är en av de stora utmaningarna inom fysiken som kan revolutionera opto-elektronik, telekommunikation och medicinsk diagnostik. En teori från 2006 förutspår att det ska vara möjligt att använda grafen - ett monoatomiskt lager av kolatomer - i ett magnetfält inte bara för att absorbera terahertz och infrarött ljus vid behov utan också för att styra cirkulär polarisationsriktning. Forskare från universitetet i Genève (UNIGE), Schweiz, och University of Manchester har lyckats testa denna teori och uppnått de förutsagda resultaten. Studien, att publiceras i tidningen Naturnanoteknik , visar att forskarna hittade ett effektivt sätt att kontrollera infraröda och terahertzvågor. Det visar också att grafen håller sina första löften, och tar sig fram som framtidens material, vare sig det är på jorden eller i rymden.

"Det finns en klass av de så kallade Dirac-materialen, där elektronerna beter sig som om de inte har massa, liknande ljuspartiklar, fotonerna, "förklarar Alexey Kuzmenko, en forskare vid Institutionen för kvantämnesfysik vid UNIGEs naturvetenskapliga fakultet, som genomförde denna forskning tillsammans med Ievgeniia Nedoliuk. Ett av sådana Dirac -material är grafen, ett monoskikt av kolatomer arrangerade i bikakestruktur, relaterad till grafit som används för att göra pennor.

Interaktionen mellan grafen och ljus antyder att detta material kan användas för att styra infraröda och terahertzvågor. "Det skulle vara ett stort steg framåt för optoelektronik, säkerhet, telekommunikation och medicinsk diagnostik, "påpekar den Genève-baserade forskaren.

Säkerhetskopierar en gammal teori via experiment

En teoretisk förutsägelse från 2006 antydde att om ett Dirac -material placeras i ett magnetfält, det kommer att producera en mycket stark cyklotronresonans. "När en laddad partikel befinner sig i magnetfältet, den rör sig i en cirkulär bana och absorberar den elektromagnetiska energin vid banan, eller cyklotron, frekvens, som till exempel, det händer i Large Hadron Collider på CERN, "förklarar Alexey Kuzmenko." Och när partiklarna har laddning men ingen massa, som elektroner i grafen, ljusupptagningen är som högst! "

För att visa denna maximala absorption, fysikerna behövde en mycket ren grafen så att elektronerna som reser långa sträckor inte skulle spridas på föroreningar eller kristalldefekter. Men denna nivå av renhet och gitterordning är mycket svår att uppnå och uppnås bara när grafen är inkapslat i ett annat tvådimensionellt material-bornitrid.

UNIGE -forskarna samarbetade med gruppen från University of Manchester under ledning av André Geim - 2010 års Nobelprisvinnare i fysik för att upptäcka grafen - för att utveckla extremt rena grafenprover. Dessa prover, som var exceptionellt stora för denna typ av grafen, var ändå för små för att kvantifiera cyklotronresonansen med väletablerade tekniker. Det är därför Genève -forskarna byggde en speciell experimentell installation för att koncentrera infraröd och terahertz -strålning på små prover av ren grafen i magnetfältet. "Och resultatet av experimentet bekräftade teorin från 2006!" tillägger Alexey Kuzmenko.

Anpassad kontrollerad polarisering

Resultaten visade för första gången att en kolossal magneto-optisk effekt verkligen uppstår om ett lager rent grafen används. "Maximal magnetoabsorption av det infraröda ljuset uppnås nu i ett monoatomiskt lager, säger Kuzmenko.

Dessutom, fysikerna fann att det var möjligt att välja vilken cirkulär polarisering - vänster eller höger - som skulle absorberas. "Naturligt eller inneboende grafen är elektriskt neutralt och absorberar allt ljus, oavsett dess polarisering. Men om vi introducerar elektriskt laddade bärare, antingen positivt eller negativt, vi kan välja vilken polarisering som absorberas, och detta fungerar både i de infraröda och terahertz -intervallerna, "fortsätter forskaren. Denna förmåga spelar en avgörande roll, särskilt på apoteket, där vissa viktiga läkemedelsmolekyler interagerar med ljus beroende på polarisationsriktningen. Intressant, denna kontroll anses lovande för sökandet efter liv på exoplaneter, eftersom det är möjligt att observera signaturerna för den molekylära kiraliteten som är inneboende i biologisk materia.

Till sist, fysikerna fann att för att observera en stark effekt i terahertz -intervallet, det är tillräckligt att applicera magnetfält, som redan kan genereras av billiga permanentmagneter. Nu när teorin har bekräftats, forskarna kommer att fortsätta arbeta med magnetiskt justerbara källor och detektorer av terahertz och infrarött ljus. Graphene fortsätter att överraska dem.