Wetenschappers van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hebben voor het eerst de dynamiek van elektronen uit het 'wondermateriaal' grafeen in een magnetisch veld bestudeerd. Dit leidde tot de ontdekking van een schijnbaar paradoxaal fenomeen in het materiaal. Het begrip ervan zou in de toekomst een nieuw type laser mogelijk kunnen maken. Samen met onderzoekers uit Berlijn, Frankrijk, Tsjechië en de Verenigde Staten, de wetenschappers hebben hun waarnemingen nauwkeurig beschreven in een model en hebben hun bevindingen nu gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurfysica .

Grafeen wordt beschouwd als een "wondermateriaal":de breeksterkte is hoger dan die van staal en het geleidt elektriciteit en warmte beter dan koper. Als een tweedimensionale structuur bestaande uit slechts een enkele laag koolstofatomen, het is ook flexibel, bijna transparant en ongeveer een miljoen keer dunner dan een vel papier. Verder, kort na de ontdekking tien jaar geleden, wetenschappers erkenden dat de energietoestanden van grafeen in een magnetisch veld - bekend als Landau-niveaus - zich anders gedragen dan die van halfgeleiders. "Er zijn veel fascinerende effecten ontdekt met grafeen in magnetische velden, maar de dynamica van elektronen is tot nu toe nooit in zo'n systeem bestudeerd, " legt natuurkundige Dr. Stephan Winnerl van HZDR uit.

De HZDR-onderzoekers stelden het grafeen bloot aan een magnetisch veld van vier Tesla - veertig keer sterker dan een hoefijzermagneet. Als resultaat, de elektronen in grafeen nemen alleen bepaalde energietoestanden in. De negatief geladen deeltjes werden praktisch op de sporen gedwongen. Deze energieniveaus werden vervolgens onderzocht met vrije-elektronenlaserlichtpulsen bij de HZDR. "De laserpuls prikkelt de elektronen tot een bepaald Landau-niveau. Een tijdelijk vertraagde puls onderzoekt vervolgens hoe het systeem evolueert, " legt Martin Mittendorff uit, promovendus bij de HZDR en eerste auteur van het artikel.

Herverdeling van elektronen verrast wetenschappers

Het resultaat van de experimenten heeft de onderzoekers verbaasd. Dit specifieke energieniveau, waarin nieuwe elektronen werden gepompt met behulp van de laser, gaandeweg leeg. Winnerl illustreert dit paradoxale effect aan de hand van een alledaags voorbeeld:"Stel je een bibliothecaris voor die boeken sorteert op een boekenplank met drie planken. Ze plaatst één boek tegelijk van de onderste plank op de middelste plank. Haar zoon 'helpt' tegelijkertijd door twee boeken te pakken van de middelste plank, zet er een op de bovenste plank, de andere aan de onderkant. De zoon is erg gretig en nu neemt het aantal boeken op de middelste plank af, terwijl dit juist de plank is die zijn moeder wil vullen."

Omdat er eerder geen experimenten of theorieën waren met betrekking tot dergelijke dynamiek, de natuurkundigen van Dresden hadden aanvankelijk moeite om de signalen correct te interpreteren. Na een aantal pogingen, echter, ze vonden een verklaring:botsingen tussen elektronen veroorzaken deze ongebruikelijke herschikking. "Dit effect staat al lang bekend als Auger-verstrooiing, maar niemand had verwacht dat het zo sterk zou zijn en ervoor zou zorgen dat een energieniveau uitgeput zou raken, " legt Winnaar uit.

Deze nieuwe ontdekking zou in de toekomst kunnen worden gebruikt voor de ontwikkeling van een laser die licht kan produceren met willekeurig instelbare golflengten in het infrarood- en terahertz-bereik. "Zo'n Landau-niveaulaser werd lang als onmogelijk beschouwd, maar nu met grafeen zou de droom van deze halfgeleiderfysici werkelijkheid kunnen worden, ’ zegt Winnerl enthousiast.

Berlijnse onderzoekers berekenen complex model voor experimenten in Dresden

Nadat het in de experimenten gebruikte fundamentele model naar tevredenheid had gewerkt, het precieze theoretische werk volgde, die werd uitgevoerd aan de Technische Universiteit Berlijn. Berlijnse wetenschappers Ermin Malic en Andreas Knorr bevestigden, met behulp van complexe berekeningen, de aannames van de groep uit Dresden en gaf gedetailleerde inzichten in de onderliggende mechanismen. De HZDR-onderzoekers werkten daarnaast samen met het Franse High Magnetic Field Laboratory in Grenoble (Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses - LNCMI), de Charles University Prague en het Georgia Institute of Technology in Atlanta (VS).