Графен считается уникальным материалом: двумерная сотовидная решетка, состоящая из атомов углерода, прочнее стали и обладающая чрезвычайно высокой подвижностью носителей заряда. Кроме того, он прозрачный, легкий и гибкий. Неудивительно, что область его применения весьма широка: от сверхбыстрых транзисторовдо гибких дисплеев. Команда во главе с учеными из Института Макса Планка (Гамбург) по изучению структуры и динамики материалов показала, что графен также может быть использован в новых лазерах для терагерцовых импульсов с большой длиной волны. Прямое терагерцовое излучение было бы полезно в науке, но пока что не был создан тот лазер, который смог бы генерировать такое излучение. В более ранних теоретических исследованиях было высказано предположение, что графен сможет с этим справиться. Однако были обоснованные сомнения, которые в настоящее время рассеяли ученые из Гамбурга. И в то же время, команда показала, что графен все-таки имеет свои ограничения в применении: в результате исследований оказалось, что графен не может быть использован для эффективного сбора света в солнечных батареях.
Лазерный свет усиливается из-за большого количества идентичных копий фотонов (фотонов-клонов). Данный процесс называют вынужденным излучением. Фотон, который уже произведен с помощью лазера, заставляет электроны, содержащиеся в материале лазера (газ или твердое вещество), скакать от более высокого энергетического уровня на более низкий, что приводит к излучению второй абсолютно идентичного фотона. Этот новый фотон может, в свою очередь, может сгенерировать еще больше точно таких же фотонов. И в результате получается «виртуальная лавина» из фотонов. Чтобы данный процесс состоялся, необходимо одно условие: электронов с более высоким энергетическим уровнем должен быть больше, чем с низким. В принципе, каждый полупроводник может соответствовать этому критерию.Графен может излучать лазерные вспышки
Состояние, которое называется инверсной средой, было создано и показано в графене Изабеллой Джертс (Isabella Gierz) и ее коллегами из Института Макса Планка по изучению структуры и динамики материалов, совместно с Центральной лазерной установкой в Харуэлл (Англия) и Институтом Макса Планка по исследованиям твердых веществ для твердых в Штутгарте. Это открытие является неожиданным, поскольку графен не обладает в достатке обычными свойствами полупроводника, что долгое время считалось необходимым условием для инверсной среды (так называемой запрещенной зоны). Запрещенная зона – это область запрещенных состояний энергии, которая отделяет основное состояние электронов из возбужденного состояния (с более высоким уровнем энергии). Без лишней энергии возбужденное состояние выше края запрещенной зоны будет почти пустым, а основное состояние ниже запрещенной зоны почти полностью заполнено. Инверсия может быть достигнута путем возбуждения электронов, чтобы их состояние стало таким же, как у тех, которые находятся над запрещенной зоной. В итоге, получается эффект «лавины», который описан выше.
Тем не менее, запрещенная зона в графене является бесконечно маленькой. «Однако электроны в графене ведут себя подобно тем, которые содержатся в обычном полупроводнике», – говорит Джертс. В определенной степени, графен может рассматриваться как полупроводник с нулевой запрещенной зоной. В связи с отсутствием запрещенной зоны, инверсия в графене длится всего около 100 фемтосекунд – менее чем за триллионную часть секунды. «Вот почему графен не может быть использован для непрерывных лазеров, а для сверхкоротких лазерных импульсов – вполне подходит», – объясняет Джертс.
Такой графеновый лазер может быть использован для усиления лазерного света с очень большой длиной волны, так называемого терагерцового излучения. В свою очередь, этот тип лазерного света можно применять в области фундаментальных исследований по изучению, например, высокотемпературных сверхпроводников. Графен может быть использован для усиления пропускной способности произвольных длинных волн.
Ученые из Гамбурга изучали графен, используя метод, называемый временным разрешением фотоэмиссии: материал освещался ультракороткими ультрафиолетовыми световыми импульсами. Как следствие, электроны вытеснялись, а физики измеряли их энергию и угол их движения наружу. Полученные данные используются для установления энергетического распределения электронов в материале.
Графен был получен учеными в результате термического разложения карбида кремния. Согласно Джертс, эта процедура также может быть использована для создания графенового лазера, так как карбид прозрачный и не будет мешать терагерцовому излучению. Тем не менее, физик признает, что до создания такого лазера еще нужно потрудиться.