Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en de University of California, Berkeley heeft geleerd de kwantumroutes te controleren die bepalen hoe licht in grafeen wordt verstrooid. Gecontroleerde verstrooiing biedt een nieuw hulpmiddel voor de studie van dit unieke materiaal - grafeen is een enkele laag koolstof van slechts één atoom dik - en kan wijzen op praktische toepassingen voor het regelen van licht en elektronische toestanden in grafeen-nanoapparaten.

Het onderzoeksteam, onder leiding van Feng Wang van de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, de eerste directe observatie deed, in grafeen, van zogenaamde kwantuminterferentie in Raman-verstrooiing. Ramanverstrooiing is een vorm van "inelastische" lichtverstrooiing. In tegenstelling tot elastische verstrooiing, waarbij het verstrooide licht dezelfde kleur (dezelfde energie) heeft als het invallende licht, inelastisch verstrooid licht verliest energie of wint het.

Ramanverstrooiing vindt plaats in grafeen en andere kristallen wanneer een binnenkomend foton, een deeltje licht, wekt een elektron op, die op zijn beurt een fonon genereert samen met een foton met lagere energie. Fononen zijn trillingen van het kristalrooster, die door de kwantummechanica ook als deeltjes worden behandeld.

Quantumdeeltjes zijn net zoveel golven als deeltjes, zodat ze zich met elkaar en zelfs met zichzelf kunnen bemoeien. De onderzoekers toonden aan dat lichtemissie kan worden gecontroleerd door deze interferentiepaden te beheersen. Ze presenteren hun resultaten in een volgend nummer van het tijdschrift Natuur , nu beschikbaar in Advance Online Publication.

Kwantuminterferentie manipuleren, in het leven en in het lab

"Een bekend voorbeeld van kwantuminterferentie in het dagelijks leven is een antireflectiecoating op brillen, " zegt Wang, die ook een assistent-professor natuurkunde is aan UC Berkeley. "Een foton kan twee paden volgen, verstrooiing van de coating of van het glas. Vanwege zijn kwantumkarakter volgt het eigenlijk beide, en de coating is zo ontworpen dat de twee paden met elkaar interfereren en licht opheffen dat anders reflectie zou veroorzaken."

Wang voegt toe, "Het kenmerk van de kwantummechanica is dat als verschillende paden niet te onderscheiden zijn, ze moeten elkaar altijd hinderen. We kunnen de interferentie manipuleren tussen de kwantumroutes die verantwoordelijk zijn voor Raman-verstrooiing in grafeen vanwege de eigenaardige elektronische structuur van grafeen."

Bij Raman-verstrooiing, de kwantumbanen zijn elektronische excitaties, die optisch worden gestimuleerd door de binnenkomende fotonen. Deze excitaties kunnen alleen plaatsvinden wanneer de initiële elektronische toestand is gevuld (door een geladen deeltje zoals een elektron), en de laatste elektronische toestand is leeg.

Kwantummechanica beschrijft elektronen die de beschikbare elektronische toestanden van een materiaal vullen zoals water de ruimte in een glas vult:het "wateroppervlak" wordt het Fermi-niveau genoemd. Alle elektronische toestanden eronder zijn gevuld en alle toestanden erboven zijn leeg. De gevulde toestanden kunnen worden verminderd door het materiaal te "dopen" om de Fermi-energie lager te verschuiven. Naarmate de Fermi-energie wordt verlaagd, de elektronische toestanden er net boven worden verwijderd, en de excitatieroutes die voortkomen uit deze toestanden worden ook verwijderd.

"We waren in staat om de excitatiepaden in grafeen te beheersen door het elektrostatisch te doteren - door spanning toe te passen om de Fermi-energie te verlagen en geselecteerde toestanden te elimineren, Wang zegt. "Het verbazingwekkende van grafeen is dat de Fermi-energie ervan kan worden verschoven met een orde van grootte groter dan bij conventionele materialen. Dit komt uiteindelijk door de tweedimensionaliteit van grafeen en de ongebruikelijke elektronische banden."

De Fermi-energie van ongedoteerd grafeen bevindt zich op een enkel punt, waar zijn elektronisch gevulde bands, grafisch weergegeven als een naar boven wijzende kegel, zijn elektronisch lege banden ontmoeten, weergegeven als een naar beneden gerichte kegel. Om de Fermi-energie aanzienlijk te verplaatsen, is een sterk elektrisch veld nodig.

Teamlid Rachel Segalman, een universitair hoofddocent chemische technologie aan UC Berkeley en een faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, leverde de ionengel die de sleutel was tot het experimentele apparaat. Een ionengel sluit een sterk geleidende vloeistof op in een polymeermatrix. De gel werd over een vlok grafeen gelegd, gekweekt op koper en overgebracht op een isolerend substraat. De lading in het grafeen werd aangepast door de poortspanning op de ionengel.

"Dus door de spanning op te voeren, hebben we de Fermi-energie van grafeen verlaagd, achtereenvolgens het wegwerken van de hogere energie-elektronen, " zegt Wang. Elektronen elimineren, van de hoogste energieën naar beneden, effectief de paden geëlimineerd die, wanneer ze worden geraakt door inkomende fotonen, zou ze kunnen absorberen en vervolgens Raman-verstrooide fotonen uitzenden.

Wat komt er van interferentie, constructief en destructief

"Mensen hebben altijd geweten dat kwantuminterferentie belangrijk is bij Raman-verstrooiing, maar het was moeilijk te zien, ", zegt Wang. "Hier is het heel gemakkelijk om de bijdrage van elke staat te zien."

Door kwantumpaden één voor één te verwijderen, verandert de manier waarop ze kunnen interfereren. De veranderingen zijn zichtbaar in de Raman-verstrooiingsintensiteit die door het experimentele apparaat werd uitgezonden toen het werd verlicht door een straal van nabij-infrarood laserlicht. Hoewel de gloed van verstrooiing veel zwakker is dan de nabij-infrarode excitatie, veranderingen in de helderheid kunnen nauwkeurig worden gemeten.

"In de klassieke natuurkunde je zou verwachten dat het verstrooide licht zwakker wordt als je excitatiepaden verwijdert, " zegt Wang, maar de resultaten van de onderzoeker kwamen voor iedereen als een verrassing. "In plaats daarvan werd het signaal sterker!"

Het verstrooide licht werd helderder naarmate de excitatiepaden werden verminderd - wat Wang "een canonieke handtekening van destructieve kwantuminterferentie" noemt.

Waarom "destructief?" Omdat fononen en verstrooide fotonen door veel verschillende, niet te onderscheiden paden die met elkaar interfereren, het blokkeren van één pad kan het licht van verstrooiing verminderen of vergroten, afhankelijk van of dat pad constructief of destructief interfereerde met de anderen. in grafeen, de lagere en hogere energiebanen interfereerden destructief. Het verwijderen van een ervan verhoogde dus de helderheid van de emissie.

"Wat we hebben aangetoond, is de kwantuminterferentie-aard van Raman-verstrooiing, "zegt Wang. "Het was er altijd, maar het was zo moeilijk te zien dat het vaak over het hoofd werd gezien."

In een tweede observatie de onderzoekers vonden nog een ander onverwacht voorbeeld van inelastische lichtverstrooiing. Deze, "hete elektronenluminescentie, " niet het gevolg waren van geblokkeerde kwantumroutes, echter.

Wanneer een sterke spanning wordt aangelegd en de Fermi-energie van het grafeen wordt verlaagd, hogere energie elektronentoestanden worden geleegd uit de gevulde band. Elektronen die sterk worden geëxciteerd door inkomende fotonen, genoeg om naar de ongevulde band te springen, dus extra kansen vinden om terug te vallen op de nu lege staten in wat de gevulde band was. Maar deze "hete" elektronen kunnen alleen terugvallen als ze een foton met de juiste frequentie uitzenden. De door de onderzoekers waargenomen hete elektronenluminescentie heeft een geïntegreerde intensiteit die honderd keer sterker is dan de Raman-verstrooiing.

De ingeslagen weg

De dichter Robert Frost schreef dat hij op twee wegen kwam die uiteenliepen in een bos, en vond het jammer dat hij niet beide kon reizen. Niet alleen kunnen kwantumprocessen beide wegen tegelijk inslaan, ze kunnen zichzelf daarbij in de weg zitten.

Het onderzoeksteam, werkzaam bij UC Berkeley en bij Berkeley Lab's Advanced Light Source, heeft aangetoond dat inelastische lichtverstrooiing kan worden gecontroleerd door interferentie tussen de tussenliggende toestanden tussen fotonabsorptie en emissie te beheersen. Het manipuleren van die interferentie heeft nieuwe soorten kwantumcontrole van chemische reacties mogelijk gemaakt, evenals van "spintronische" toestanden, waarin niet de lading maar de kwantumspins van elektronen worden beïnvloed. Sterk verbeterde Raman-verstrooiing kan een zegen zijn voor materiaalonderzoek op nanoschaal. Hete luminescentie is potentieel aantrekkelijk voor opto-elektronica en biologisch onderzoek, waarin nabij-infraroodtags - zelfs zwakke - zeer nuttig kunnen zijn.

"Evenzo het fenomeen van hete elektronenluminescentie, omdat het onmiddellijk volgt op excitatie door een sondelaser, kan een waardevol onderzoeksinstrument worden, " zegt Wang, "in het bijzonder voor het bestuderen van ultrasnelle elektronendynamica, een van de belangrijkste ongebruikelijke kenmerken van grafeen."