Grafeen wordt beschouwd als het manusje-van-alles van de materiaalwetenschap:het tweedimensionale honingraatvormige rooster dat bestaat uit koolstofatomen is sterker dan staal en vertoont extreem hoge mobiliteiten van ladingsdragers. Het is ook transparant, lichtgewicht en flexibel. Geen wonder dat er tal van toepassingen voor zijn - bijvoorbeeld in zeer snelle transistors en flexibele displays. Een team onder leiding van wetenschappers van het Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter in Hamburg heeft aangetoond dat het ook voldoet aan een belangrijke voorwaarde voor gebruik in nieuwe lasers voor terahertz-pulsen met lange golflengten. De directe emissie van terahertz-straling zou nuttig zijn in de wetenschap, maar er is nog geen laser ontwikkeld die dit kan leveren. Theoretische studies hebben eerder gesuggereerd dat het mogelijk zou kunnen zijn met grafeen. Echter, er waren gegronde twijfels - die het team in Hamburg nu heeft weggenomen. Tegelijkertijd, ontdekten de wetenschappers dat het toepassingsgebied van grafeen echter zijn beperkingen heeft:bij verdere metingen, ze toonden aan dat het materiaal niet kan worden gebruikt voor het efficiënt opvangen van licht in zonnecellen.

Een laser versterkt licht door veel identieke kopieën van fotonen te genereren - de fotonen klonen, als het ware. Het proces om dit te doen wordt gestimuleerde emissie van straling genoemd. Een foton dat al door de laser is geproduceerd, zorgt ervoor dat elektronen in het lasermateriaal (een gas of vaste stof) van een hogere energietoestand naar een lagere energietoestand springen, het uitzenden van een tweede volledig identiek foton. Dit nieuwe foton kan beurtelings, meer identieke fotonen genereren. Het resultaat is een virtuele lawine van gekloonde fotonen. Voorwaarde voor dit proces is dat er meer elektronen in de hogere energietoestand zijn dan in de lagere energietoestand. In principe, elke halfgeleider kan aan dit criterium voldoen.

De toestand die populatie-inversie wordt genoemd, werd geproduceerd en gedemonstreerd in grafeen door Isabella Gierz en haar collega's van het Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter, samen met de Central Laser Facility in Harwell (Engeland) en het Max Planck Institute for Solid State Research in Stuttgart. De ontdekking is verrassend omdat grafeen een klassieke halfgeleidereigenschap mist, die lang werd beschouwd als een voorwaarde voor populatie-inversie:een zogenaamde bandgap. De bandgap is een gebied van verboden energietoestanden, die de grondtoestand van de elektronen scheidt van een aangeslagen toestand met hogere energie. Zonder overtollige energie, de aangeslagen toestand boven de bandgap zal bijna leeg zijn en de grondtoestand onder de bandgap bijna volledig bevolkt. Een populatie-inversie kan worden bereikt door excitatie-energie aan elektronen toe te voegen om hun energietoestand te veranderen in die boven de bandgap. Zo ontstaat het hierboven beschreven lawine-effect.

Tot nu, terahertz-pulsen zijn alleen gegenereerd via inefficiënte niet-lineaire optische processen

Echter, de verboden band in grafeen is oneindig klein. "Hoe dan ook, de elektronen in grafeen gedragen zich vergelijkbaar met die van een klassieke halfgeleider", zegt Isabella Gierz. Tot op zekere hoogte, grafeen kan worden gezien als een halfgeleider met een nul-bandgap. Door het ontbreken van een bandgap, de populatie-inversie in grafeen duurt slechts ongeveer 100 femtoseconden, minder dan een biljoenste van een seconde. "Daarom kan grafeen niet worden gebruikt voor continue lasers, maar mogelijk voor ultrakorte laserpulsen", legt Gierz uit.

Zo'n grafeenlaser zou bijzonder nuttig zijn voor onderzoeksdoeleinden. Het zou kunnen worden gebruikt om laserlicht met zeer lange golflengten te versterken; zogenaamde terahertzstraling. Dit type laserlicht zou in fundamenteel onderzoek kunnen worden gebruikt om te bestuderen, bijvoorbeeld, hoge temperatuur supergeleiders. Daten, terahertz-straling is geproduceerd met relatief inefficiënte, zogenaamde niet-lineaire optische processen. In aanvulling, het beschikbare golflengtebereik wordt vaak beperkt door het gebruikte niet-lineaire materiaal. De recente bevindingen geven aan dat grafeen kan worden gebruikt voor brede bandbreedteversterking van willekeurig lange golflengten.

Echter, het in Hamburg gevestigde team verpletterde ook de hoop van sommige materiaalwetenschappers - zo blijkt, grafeen is waarschijnlijk niet geschikt om zonnestraling in zonnecellen om te zetten in elektriciteit. "Volgens onze metingen, een enkel foton in grafeen kan niet meerdere elektronen afgeven, zoals eerder verwacht", zegt Gierz. Dit is een voorwaarde voor een efficiënte omzetting van straling in elektriciteit.

Siliciumcarbide kan worden gebruikt om grafeen voor lasers te produceren

De wetenschappers in Hamburg bestudeerden het grafeen met behulp van een methode die tijdsopgeloste foto-emissiespectroscopie wordt genoemd. Hierbij werd het materiaal belicht met ultrakorte ultraviolette (UV) lichtpulsen. Als gevolg hiervan worden de elektronen uit het monster geduwd en meten de natuurkundigen hun energie en uitgangshoek. De resulterende gegevens worden gebruikt om de energieverdeling van elektronen in het materiaal vast te stellen. Tijdsresolutie wordt bereikt door de aankomsttijd van de UV-sondepuls te vertragen ten opzichte van een willekeurige excitatiepuls.

In het huidige experiment is de elektronen in het grafeen werden geëxciteerd met infrarood laserlicht. Vervolgens gebruikten de wetenschappers foto-emissiespectroscopie om het optreden van populatie-inversie aan te tonen. Op een soortgelijke manier, zij stelden vast dat dragervermenigvuldiging niet kon worden bereikt door straling.

Het grafeen werd door de wetenschappers geproduceerd door thermische ontleding van siliciumcarbide. Volgens Gierz, deze procedure kan ook worden gebruikt om een ​​grafeenlaser te maken, aangezien siliciumcarbide transparant is en niet interfereert met terahertz-straling. Echter, de natuurkundige geeft toe dat er nog veel ontwikkelingswerk moet worden verricht om een ​​grafeenlaser te produceren.