Fotodetectoren gemaakt van grafeen kunnen zowel lichtsignalen als elektrische signalen extreem snel verwerken en geleiden. Binnen picoseconden genereert de optische stimulatie van grafeen een fotostroom. Tot nu, geen van de beschikbare methoden was snel genoeg om deze processen in grafeen te meten. Wetenschappers aan de Technische Universitaet München, Duitsland, ontwikkelde nu een methode om de temporele dynamiek van deze fotostroom te meten. Verder ontdekten ze dat grafeen terahertzstraling kan uitzenden.

Grafeen laat op het eerste gezicht een nogal bescheiden indruk achter. Het materiaal bestaat uit niets anders dan koolstofatomen, geordend in een enkellaags "tapijt". Nog, wat grafeen zo fascinerend maakt voor wetenschappers, is de extreem hoge geleidbaarheid. Deze eigenschap is bijzonder nuttig bij de ontwikkeling van fotodetectoren. Dit zijn elektronische componenten die straling kunnen detecteren en omzetten in elektrische signalen.

De extreem hoge geleidbaarheid van grafeen inspireert wetenschappers om het te gebruiken bij het ontwerp van ultrasnelle fotodetectoren. Echter, tot nu, het was niet mogelijk om het optische en elektronische gedrag van grafeen met betrekking tot tijd te meten, d.w.z. hoe lang het duurt tussen de elektrische stimulatie van grafeen en het genereren van de respectieve fotostroom.

Alexander Holleitner en Leonhard Prechtel, wetenschappers van het Walter Schottky Institut van de TU Muenchen en leden van het Cluster of Excellence Nanosystems Initiative Munich (NIM), besloten om op deze vraag in te gaan. De natuurkundigen ontwikkelden eerst een methode om de tijdresolutie van fotostroommetingen in grafeen te verhogen tot in het picosecondebereik. Hierdoor konden ze pulsen van slechts enkele picoseconden detecteren. (Ter vergelijking:een lichtstraal die met lichtsnelheid reist, heeft drie picoseconden nodig om zich één millimeter voort te planten.)

Het centrale element van de geïnspecteerde fotodetectoren is vrij opgehangen grafeen dat via metalen contacten in elektrische circuits is geïntegreerd. De temporele dynamiek van de fotostroom werd gemeten met behulp van zogenaamde coplanaire striplijnen die werden geëvalueerd met behulp van een speciale tijdopgeloste laserspectroscopieprocedure - de pomp-sondetechniek. Een laserpuls prikkelt de elektronen in het grafeen en de dynamiek van het proces wordt gevolgd met een tweede laser. Met deze techniek konden de natuurkundigen precies volgen hoe de fotostroom in het grafeen wordt opgewekt.

Tegelijkertijd, de wetenschappers konden profiteren van de nieuwe methode om een ​​verdere observatie te doen:ze vonden bewijs dat grafeen, wanneer optisch gestimuleerd, zendt straling uit in het terahertz (THz) bereik. Dit ligt tussen infrarood licht en microgolfstraling in het elektromagnetische spectrum. Het bijzondere van THz-straling is dat het eigenschappen vertoont die worden gedeeld door beide aangrenzende frequentiebereiken:het kan worden gebundeld als deeltjesstraling, maar dringt nog steeds door in de materie als elektromagnetische golven. Dit maakt het ideaal voor materiaaltesten, voor screeningspakketten of voor bepaalde medische toepassingen.