Wetenschappers van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), werken met collega's uit de VS en Duitsland, hebben een nieuwe optische detector ontwikkeld van grafeen die zeer snel reageert op invallend licht van alle verschillende golflengten en zelfs werkt bij kamertemperatuur. Het is de eerste keer dat een enkele detector het spectrale bereik van zichtbaar licht tot infrarode straling en tot terahertz-straling heeft kunnen bewaken. De HZDR-wetenschappers gebruiken de nieuwe grafeendetector nu al voor de exacte synchronisatie van lasersystemen.

Een klein vlokje grafeen op siliciumcarbide en een futuristisch ogende antenne, en daar is hij dan - de nieuwe grafeendetector. Als geen ander enkelvoudig detectorsysteem dat ooit is geweest, deze relatief eenvoudige en goedkope constructie kan het enorme spectrale bereik dekken van zichtbaar licht tot terahertz-straling. "In tegenstelling tot andere halfgeleiders zoals silicium of galliumarsenide, grafeen kan licht met een zeer groot aantal fotonenergieën opvangen en omzetten in elektrische signalen. We hadden alleen een breedbandantenne en het juiste substraat nodig om de ideale omstandigheden te creëren, " verklaarde Dr. Stephan Winnerl, natuurkundige aan het Institute of Ion Beam Physics and Materials Research aan de HZDR.

In 2013 Martin Mittendorff, die toen promovendus was aan de HZDR, had de voorloper van de grafeendetector ontwikkeld. In zijn huidige functie als postdoc aan de Universiteit van Maryland, hij heeft het nu geperfectioneerd met zijn Dresden-collega's en met wetenschappers uit Marburg, Regensburg en Darmstadt. Hoe het werkt:de grafeenvlok en antenne-assemblage absorbeert de stralen, waardoor de energie van de fotonen wordt overgedragen aan de elektronen in het grafeen. Deze "hete elektronen" verhogen de elektrische weerstand van de detector en genereren snelle elektrische signalen. De detector kan invallend licht registreren in slechts 40 picoseconden - dit zijn miljardsten van een seconde.

Breed spectraal bereik bereikt door siliciumcarbidesubstraat

De keuze van het substraat is nu een cruciale stap gebleken in het verbeteren van de kleine lichtval. "Halfgeleidersubstraten die in het verleden werden gebruikt, hebben altijd enkele golflengten geabsorbeerd, maar siliciumcarbide blijft passief in het spectrale bereik, ", legt Stephan Winnerl uit. Dan is er ook nog een antenne die werkt als een trechter en langegolf-infrarood- en terahertz-straling opvangt. De wetenschappers hebben het spectrale bereik daardoor met een factor 90 kunnen vergroten in vergelijking met het vorige model, waardoor de kortste detecteerbare golflengte 1000 keer kleiner is dan de langste. Ter vergelijking, rood licht, die de langste golflengte heeft die zichtbaar is voor het menselijk oog, is slechts twee keer zo lang als violet licht dat de kortste golflengte in het zichtbare spectrum heeft.

Deze optische universele detector wordt al gebruikt bij de HZDR voor de exacte synchronisatie van de twee vrije-elektronenlasers van het ELBE Center for High-Power Radiation Sources met andere lasers. Deze uitlijning is vooral belangrijk voor "pompsonde" experimenten, zoals ze worden genoemd, waarbij de onderzoeker één laser neemt voor de excitatie van een materiaal ("pomp") en vervolgens een tweede laser met een andere golflengte gebruikt voor de meting ("sonde"). De laserpulsen moeten voor dergelijke experimenten exact worden gesynchroniseerd. Dus de wetenschappers gebruiken de grafeendetector als een stopwatch. Het vertelt hen wanneer de laserpulsen hun doel bereiken, en de grote bandbreedte helpt voorkomen dat een verandering van detector een potentiële bron van fouten is. Een ander voordeel is dat alle metingen bij kamertemperatuur kunnen plaatsvinden, waardoor de dure en tijdrovende stikstof- of heliumkoelprocessen met andere detectoren overbodig zijn.