Samen met internationale collega's, wetenschappers van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hebben een ander belangrijk onderdeel toegevoegd om het materiële grafeen te begrijpen; een materiaal dat momenteel veel aandacht krijgt:ze hebben de levensduur van elektronen in grafeen in lagere energiebereiken bepaald. Dit is van groot belang voor de toekomstige ontwikkeling van snelle elektronische en opto-elektronische componenten. De resultaten zijn onlangs gepubliceerd in de online editie van het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Nadat de ontdekking van grafeen vorig jaar de Nobelprijs voor de Natuurkunde had gekregen, veel onderzoeksteams over de hele wereld hebben geprobeerd de fundamentele eigenschappen van het materiaal beter te begrijpen om dergelijke veelbelovende elektronische en opto-elektronische toepassingen mogelijk te maken, zoals transistors en snelle detectoren voor optische gegevensoverdracht. Grafeen – een enkele koolstoflaag waarvan de atomen als een honingraat in een zeshoek zijn gerangschikt – is ook erg interessant als transparant elektrodemateriaal voor flatscreens en zonnecellen. Volgens de HZDR-onderzoeker Dr. Stephan Winnerl, grafeen zou op dit gebied het schaarse hightech metaal indium kunnen vervangen.

Met subsidies van het prioriteitsprogramma "Graphene" van de Duitse Onderzoeksstichting en fondsen van de Europese Unie, Stephan Winnerl en zijn collega's van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) samen met wetenschappers van de Technische Universität (TU) Berlijn, het Grenoble High Magnetic Field Laboratory, en het Georgia Institute of Technology, VS, slaagde erin om de "levensduur" van elektronen in grafeen te bepalen in lagere energiebereiken die nog niet eerder waren onderzocht.

Het karakteristieke gedrag van elektronen in specifieke energiebereiken die typisch in vaste stoffen worden aangetroffen, is een van de vele fysieke eigenschappen waarin grafeen fundamenteel verschilt van de meeste andere materialen:normaal gesproken, elektronen kunnen alleen specifieke energieniveaus aannemen (deze worden energiebanden genoemd), maar niet anderen (deze worden energiekloven genoemd). Dit principe wordt gebruikt, bijvoorbeeld, voor dergelijke opto-elektronische componenten zoals lichtemitterende diodes die licht uitzenden op zeer specifieke golflengten:hierdoor komt energie vrij die de elektronen vrijgeven terwijl ze energiehiaten "overslaan".

Maar het gedrag van grafeen verschilt van andere halfgeleiders:de energiebanden raken elkaar zonder dat er gaten ontstaan. In plaats van licht uit te stralen, grafeen is in staat om de straling van lagere energieën onder het zichtbare spectrum te absorberen, zoals terahertz en infrarood licht; dus, waardoor het een uitstekend materiaal is voor detectoren.

Om snelle elektronische en opto-elektronische componenten te kunnen ontwikkelen op basis van grafeen, men moet precies weten hoe lang elektronen op bepaalde energieniveaus blijven hangen. Het onderzoek van dergelijke processen, die voorkomen in het picosecondebereik, d.w.z. de tijdschaal van een miljoenste van een miljoenste seconde, vereist extreem snelle observatiemethoden. Het unieke aan de experimenten in het Helmholtz-Zentrum in Dresden is de blootstelling van de grafeenmonsters aan licht met een langere golflengte dan ooit tevoren. Dit werd mogelijk gemaakt door de korte stralingspulsen van de Free Electron Laser (FEL) van de HZDR. De onderzoekers waren, dus, in staat om de levensduur van elektronen nabij het contactpunt van de energiebanden te bestuderen, wat de unieke fysieke eigenschap is die kenmerkend is voor grafeen.

De FEL prikkelde de grafeenmonsters met licht met verschillende golflengten in het infraroodbereik. De onderzoekers ontdekten dat de energie van de lichtdeeltjes die de elektronen prikkelen, evenals de oscillaties van het atomaire rooster de levensduur van de elektronen beïnvloeden:als de energie van de lichtdeeltjes groter is dan de energie van de roosteroscillaties, dan zullen de elektronen sneller van energietoestand veranderen en een kortere levensduur hebben. Omgekeerd, de elektronen zullen bij een bepaald energieniveau langer blijven hangen als de excitatie-energie lager is dan de energie van de roostertrillingen.

De inzichten uit de experimenten worden onderbouwd met modelberekeningen van de TU Berlijn. Deze berekeningen maken een duidelijke toewijzing van de experimentele gegevens aan de fysieke mechanismen in grafeen mogelijk. De onderzoekers hebben, dus, een waardevolle bijdrage geleverd aan een beter begrip van de elektronische en optische eigenschappen van grafeen.