Professor Konstantin Arutyunov van het HSE Tikhonov Moscow Institute of Electronics and Mathematics (MIEM HSE), samen met Chinese onderzoekers, heeft een op grafeen gebaseerde mechanische resonator ontwikkeld, waarin coherente emissie van geluidsenergiequanta, of fononen, is geïnduceerd. dergelijke apparaten, zogenaamde fonon-lasers, hebben een groot potentieel voor toepassing in informatieverwerking, evenals klassieke en kwantumdetectie van materialen. De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Optica Express .

Met behulp van een analogie met fotonen, kwanta van het elektromagnetische spectrum, er zijn ook deeltjes van geluidsenergie, fononen. In feite, dit zijn kunstmatig geïntroduceerde objecten in de natuurkunde - quasi-deeltjes, die overeenkomen met trillingen van het kristalrooster van materie.

Sommige stoffen, wanneer bestraald, zenden fotonen van dezelfde golflengte uit, fase, en polarisatie. Dit proces, gestimuleerde emissie genoemd, werd meer dan een eeuw geleden voorspeld door Albert Einstein en vormt de basis van het apparaat dat we allemaal kennen:de laser. De eerste lasers werden ongeveer zestig jaar geleden gebouwd, en ze zijn op verschillende gebieden stevig verankerd in ons leven.

Een soortgelijk proces, met de emissie van 'identieke' fononen, ligt ten grondslag aan een apparaat genaamd, naar analogie, een fonon-laser, of sas. In feite, het werd voorspeld op hetzelfde moment als lasers, maar er zijn over een lange periode slechts enkele experimentele realisaties ontwikkeld, en geen van hen is op grote schaal gebruikt in de industrie.

Magnesium ionen, halfgeleiders, composietsystemen met microholtes, elektromechanische resonatoren, nanodeeltjes, en vele andere stoffen en systemen zijn de afgelopen tien jaar gebruikt als actieve media voor fononlasers. In tegenstelling tot eerdere onderzoeken, de huidige studie gebruikte grafeen om coherente akoestische excitaties te creëren. Door de unieke eigenschappen van grafeen, dergelijke resonatoren kunnen potentieel op grote schaal worden gebruikt.

De grafeenresonator werd geproduceerd door microlithografie:een fotogevoelige polymeerfilm wordt afgezet op een siliciumsubstraat. Met behulp van ultraviolet licht, er wordt een bepaalde structuur op de ondergrond 'getekend', die vervolgens de vorming van een zich herhalend systeem van microholtes mogelijk maakt door middel van plasmabehandeling. Het behandelde substraat is bedekt met een laag grafeen, en dit systeem van 'drums' gedraagt ​​zich als een resonator, d.w.z. het versterkt externe trillingen als ze met een bepaalde frequentie worden gegenereerd.

Als zo'n 'trommel' wordt bestraald met laserlicht op een bepaalde golflengte, fotonen worden herhaaldelijk gereflecteerd tussen de siliciumrug en het grafeen, waardoor optische holtes worden gevormd waar mechanische trillingen met de juiste frequentie worden geproduceerd.

"Experimenteel, we hebben een nanostructuur onderzocht, dat is een vast membraan gemaakt van een mono-atomaire laag koolstof, of een grafeen. Trillingen van atomen, of fononen, daarin werden geactiveerd door blootstelling aan externe optische straling, ", zegt Arutyunov. "Het onderzoek zal naar verwachting worden voortgezet, omdat het van groot belang is voor zowel de fysica van ultrakleine objecten als het potentieel heeft om een ​​nieuwe generatie kwantumoptomechanische sensoren en transducers te creëren."