Grafeen heeft voor veel opwinding gezorgd onder wetenschappers sinds de ontdekking van het extreem sterke en dunne koolstofmateriaal in 2004. Slechts één atoom dik, het honingraatvormige materiaal heeft verschillende opmerkelijke eigenschappen die mechanische taaiheid combineren met superieure elektrische en thermische geleidbaarheid.

Nu een groep wetenschappers van de Iowa State University, onder leiding van natuurkundige Jigang Wang, heeft aangetoond dat grafeen twee andere eigenschappen heeft die toepassingen kunnen hebben in high-speed telecommunicatieapparatuur en lasertechnologie:populatie-inversie van elektronen en breedband optische versterking.

Wang is een assistent-professor bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde van het College of Liberal Arts and Sciences aan de Iowa State University. Hij is ook een associate scientist bij het Ames Laboratory van het Department of Energy.

Wangs team flitste extreem korte laserpulsen op grafeen. De onderzoekers ontdekten onmiddellijk een nieuwe foto-opgewonden toestand van grafeen die wordt gekenmerkt door een breedbandpopulatie-inversie van elektronen. Onder normale omstandigheden, de meeste elektronen zouden toestanden van lage energie bezetten en slechts een paar zouden toestanden met hogere energie bevolken. In populatie-geïnverteerde staten, deze situatie is omgekeerd:meer elektronen bevolken hoger, in plaats van lager, energie toestanden. Dergelijke populatie-inversies zijn zeer zeldzaam van aard en kunnen zeer ongebruikelijke eigenschappen hebben. in grafeen, de nieuwe toestand produceert een optische versterking van het infrarood naar het zichtbare.

Simpel gezegd, optische versterking betekent dat er meer zichtbaar licht naar buiten komt dan er binnenkomt. Dit kan alleen gebeuren wanneer het versterkingsmedium extern wordt gepompt en vervolgens wordt gestimuleerd met licht (gestimuleerde emissie). De ontdekking van Wang zou deuren kunnen openen voor efficiënte versterkers in de telecommunicatie-industrie en extreem snelle opto-elektronische apparaten.

Grafeen als versterkingsmedium voor lichtversterking

"Het is erg spannend, " zei Wang. "Het opent de mogelijkheid om grafeen te gebruiken als versterkingsmedium voor lichtversterking. Het kan worden gebruikt bij het maken van optische breedbandversterkers of hogesnelheidsmodulatoren voor telecommunicatie. Het biedt zelfs implicaties voor de ontwikkeling van op grafeen gebaseerde lasers."

Wang's team onthulde zijn bevindingen in het tijdschrift Physical Review Letters op 16 april. Naast Wang, de andere auteurs van het papier zijn Tianq Li, Liang Luo en Junhua Zhang, Iowa State natuurkunde afgestudeerde studenten; Miron Hupalo, Ames Laboratoriumwetenschapper; en Michael Tringides en Jörg Schmalian, Iowa State natuurkunde professoren en Ames Laboratory wetenschappers.

Wang is lid van het programma Condensed Matter Physics in Iowa State en het Ames Laboratory. Hij en zijn team voeren optische experimenten uit met behulp van laserspectroscopietechnieken, van het zichtbare tot het midden-infrarood en ver-infrarood spectrum. Ze gebruiken ultrakorte laserpulsen tot 10 quadriljoenste van een seconde om de wereld van nanowetenschap en gecorreleerde elektronenmaterialen te bestuderen.

In 2004 ontdekten de Britse onderzoekers Andre Geim en Konstantin Novoselov grafeen, wat leidde tot het winnen van de Nobelprijs voor natuurkunde in 2010. Grafeen is een tweedimensionaal (hoogte en breedte) materiaal met een groeiende lijst van bekende unieke eigenschappen. Het is een enkele laag koolstof van slechts één atoom dik. De koolstofatomen zijn verbonden in een hexagonaal rooster dat eruitziet als een honingraat. Ondanks een gebrek aan massa, grafeen is sterker dan staal, het geleidt zowel elektriciteit als koper en geleidt warmte nog beter. Het is ook flexibel en bijna transparant.

Er was een begripskloof, Wang legde uit, tussen de twee wetenschappelijke gemeenschappen die de elektronische en fotonische eigenschappen van grafeen bestudeerden. Hij geloofde dat zijn groep kon helpen de kloof te overbruggen door de niet-lineaire optische eigenschappen van grafeen uit te werken en de niet-evenwichtige elektronische toestand te begrijpen. Wang legde uit dat lineaire optische eigenschappen alleen licht doorlaten - één lichtsignaal komt in een materiaal en één komt eruit. "De niet-lineaire eigenschap kan het signaal veranderen en moduleren, niet alleen doorgeven, het produceren van functionaliteit voor nieuwe apparaattoepassingen."

Grafeen in een zeer niet-lineaire toestand

Wang zei dat andere wetenschappers de optische eigenschappen van grafeen hebben bestudeerd, maar vooral in het lineaire regime. Zijn team veronderstelde dat ze een nieuwe "zeer onconventionele staat" van grafeen zouden kunnen genereren, resulterend in populatie-inversie en optische winst.

"We waren de eerste groep die nieuwe wegen insloeg, om ernaar te kijken in een zeer aangeslagen toestand bestaande uit extreem dichte elektronen - een zeer niet-lineaire toestand. In een dergelijke staat, grafeen heeft unieke eigenschappen."

Wang's groep begon met hoogwaardige grafeenmonolagen die werden gekweekt door Hupalo en Tringides in het Ames Laboratory. De onderzoekers gebruikten een ultrasnelle laser om de elektronen van het materiaal te "exciteren" met korte lichtpulsen van slechts 35 femtoseconden lang (35 quadriljoenste van een seconde). Door metingen van de foto-geïnduceerde elektronische toestanden, Wang's team ontdekte dat de optische geleidbaarheid (of absorptie) van de grafeenlagen veranderde van positief naar negatief - wat resulteerde in de optische versterking - wanneer de pomppulsenergie boven een drempelwaarde werd verhoogd.

De resultaten gaven aan dat de omgekeerde toestand van de populatie in foto-geëxciteerd grafeen meer licht uitstraalde dan het absorbeerde. "De absorptie was negatief. Het betekende dat populatie-inversie inderdaad werd vastgesteld in het geëxciteerde grafeen en dat er meer licht uit het geïnverteerde medium kwam dan wat binnenkwam, wat optische winst is, Wang zei. "Het uitgestraalde licht vertoont een versterking van ongeveer één procent voor een laag van slechts één atoom dik, een cijfer in dezelfde volgorde als wat wordt gezien in conventionele optische halfgeleiderversterkers die honderden keren dikker zijn."

De sleutel tot de experimenten, natuurlijk, creëerde de zeer niet-lineaire staat, iets "dat normaal niet bestaat in thermisch evenwicht, Wang zei. "Je kunt grafeen niet zomaar onder het licht leggen en bestuderen. Je moet de elektronen echt prikkelen met de ultrasnelle laserpuls en kennis hebben van het drempelgedrag om tot zo'n toestand te komen."

Wang zei dat er nog veel meer technische en materiaalperfectie in het verschiet ligt voordat het volledige potentieel van grafeen voor lasers en optische telecommunicatie ooit is gerealiseerd. "Het onderzoek toont duidelijk aan, Hoewel, dat het oplichten van grafenen zowel betere emissies als een mooie toekomst kan opleveren, " hij zei.