Fysiker vid universitetet i Duisburg-Essen och deras samarbetspartners har upptäckt att små grafenskivor kan bli elektromagneter under infraröd strålning. Studien är publicerad i tidskriften Nature Communications .
Provet i sig är osynligt för det mänskliga ögat:Det finns små skivor på en yta på 2 x 2 millimeter, var och en med en diameter på 1,2 mikrometer, bara en hundradel av bredden på ett genomsnittligt människohår. De består av två lager grafen – två ark av kolatomer som ligger ovanpå varandra som pannkakor. Deras elektroner rör sig fritt i materialet och kan påverkas av elektromagnetiska fält.
Arbetsgruppen för Prof. Dr. Martin Mittendorff från Experimentell Fysik vid University of Duisburg-Essen (UDE) har undersökt vågor i elektronsystem, så kallade plasmoner, inom Collaborative Research Center 1242 i flera år. I det här fallet använde teamet cirkulärt polariserad terahertz (THz) strålning i det infraröda området för att excitera elektronerna. "Du kan tänka på grafenarken som hinkar fyllda med vatten - elektronerna", förklarar Mittendorff. "Om du rör om insidan av hinken med en pinne, börjar det bildas cirkulära strömmar."
I analogi rör sig laddningsbärarna som exciteras av den korkskruvsformade THz-strålningen i en cirkulär rörelse i skivorna och fungerar därmed som små elektromagneter. Inom experimentet genererades magnetiska fält i intervallet 0,5 Tesla; detta motsvarar cirka 10 000 gånger jordens magnetfält. Frekvensen av plasmon kan justeras via grafenskivans diameter. När det gäller deras effekt är de små skivorna jämförbara med starka permanentmagneter, men de kan slås på eller av inom pikosekunder – med andra ord på en biljondels sekund.
Även om experimenten är grundforskning finns det realistiska potentiella tillämpningar:Genom att använda grafenskivor har fysikerna utvecklat optiskt kopplade magnetfält som kan användas för att påverka andra material i närheten. I kvantprickar som lyser upp skärmar kan till exempel färgen på ljuset justeras. När det gäller magnetokaloriska material ändrar de sin temperatur beroende på vilket magnetfält som appliceras.
Denna publikation är resultatet av ett samarbete mellan Mittendorffs arbetsgrupp och nationella och internationella partners:Grafenskivorna tillverkades vid University of Maryland (USA) och mätningarna utfördes vid Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf.
Mer information: Jeong Woo Han et al, Starka transienta magnetiska fält inducerade av THz-drivna plasmoner i grafenskivor, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43412-x
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av University of Duisburg-Essen
