Het vermogen om infrarood- en terahertz-golven te controleren met behulp van magnetische of elektrische velden is een van de grote uitdagingen in de natuurkunde die een revolutie teweeg kunnen brengen in de opto-elektronica, telecommunicatie en medische diagnostiek. Een theorie uit 2006 voorspelt dat het mogelijk moet zijn om grafeen - een mono-atomaire laag van koolstofatomen - in een magnetisch veld te gebruiken, niet alleen om terahertz en infrarood licht op verzoek te absorberen, maar ook om de richting van circulaire polarisatie te regelen. Onderzoekers van de Universiteit van Genève (UNIGE), Zwitserland, en de Universiteit van Manchester zijn erin geslaagd deze theorie te testen en de voorspelde resultaten te behalen. De studie, te publiceren in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie , laat zien dat de wetenschappers een efficiënte manier hebben gevonden om infrarood- en terahertz-golven te beheersen. Het laat ook zien dat grafeen zijn eerste beloften nakomt, en baant zich een weg als het materiaal van de toekomst, zowel op aarde als in de ruimte.

"Er bestaat een klasse van de zogenaamde Dirac-materialen, waar de elektronen zich gedragen alsof ze geen massa hebben, vergelijkbaar met lichte deeltjes, de fotonen, " legt Alexey Kuzmenko uit, een onderzoeker bij de afdeling Quantum Matter Physics in de wetenschapsfaculteit van UNIGE, die dit onderzoek samen met Ievgeniia Nedoliuk heeft uitgevoerd. Een van die Dirac-materialen is grafeen, een monolaag van koolstofatomen gerangschikt in honingraatstructuur, gerelateerd aan grafiet dat wordt gebruikt om potloden te maken.

De interactie tussen grafeen en licht suggereert dat dit materiaal kan worden gebruikt om infrarood- en terahertz-golven te beheersen. "Dat zou een enorme stap voorwaarts zijn voor opto-elektronica, veiligheid, telecommunicatie en medische diagnostiek, ", merkt de in Genève gevestigde onderzoeker op.

Een oude theorie staven via experimenten

Een theoretische voorspelling uit 2006 stelde dat als een Dirac-materiaal in een magnetisch veld wordt geplaatst, het zal een zeer sterke cyclotronresonantie produceren. "Als een geladen deeltje zich in het magnetische veld bevindt, het beweegt in een cirkelvormige baan en absorbeert de elektromagnetische energie in de baan, of cyclotron, frequentie, zoals bijvoorbeeld, het gebeurt in de Large Hadron Collider bij CERN, " legt Alexey Kuzmenko uit. "En als de deeltjes wel lading hebben maar geen massa, als elektronen in grafeen, de absorptie van licht is maximaal!"

Om deze maximale absorptie aan te tonen, de natuurkundigen hadden een zeer zuiver grafeen nodig, zodat de elektronen die lange afstanden afleggen niet zouden verstrooien op onzuiverheden of kristaldefecten. Maar dit niveau van zuiverheid en roostervolgorde zijn erg moeilijk te verkrijgen en worden alleen bereikt wanneer grafeen is ingekapseld in een ander tweedimensionaal materiaal:boornitride.

De UNIGE-onderzoekers werkten samen met de groep van de Universiteit van Manchester onder leiding van André Geim - de Nobelprijswinnaar in de natuurkunde van 2010 voor het ontdekken van grafeen - om extreem zuivere grafeenmonsters te ontwikkelen. Deze monsters, die uitzonderlijk groot waren voor dit type grafeen, waren niettemin te klein om de cyclotron-resonantie te kwantificeren met gevestigde technieken. Daarom hebben de Genève-onderzoekers een speciale experimentele opstelling gebouwd om de infrarood- en terahertz-straling te concentreren op kleine monsters puur grafeen in het magnetische veld. "En het resultaat van het experiment bevestigde de theorie uit 2006!" voegt Alexey Kuzmenko toe.

Op maat gestuurde polarisatie

De resultaten toonden voor het eerst aan dat er inderdaad een kolossaal magneto-optisch effect optreedt als een laag puur grafeen wordt gebruikt. "De maximaal mogelijke magneto-absorptie van het infraroodlicht wordt nu bereikt in een monoatomaire laag, ' zegt Kuzmenko.

In aanvulling, de natuurkundigen ontdekten dat het mogelijk was om te kiezen welke circulaire polarisatie - links of rechts - moest worden opgevangen. "Natuurlijk of intrinsiek grafeen is elektrisch neutraal en absorbeert al het licht, ongeacht de polarisatie. Maar als we elektrisch geladen dragers introduceren, positief of negatief, we kunnen kiezen welke polarisatie wordt geabsorbeerd, en dit werkt zowel in het infrarood- als terahertz-bereik, " vervolgt de wetenschapper. Dit vermogen speelt een cruciale rol, vooral in de apotheek, waar bepaalde belangrijke medicijnmoleculen interageren met licht, afhankelijk van de polarisatierichting. interessant, deze controle wordt als veelbelovend beschouwd voor het zoeken naar leven op exoplaneten, omdat het mogelijk is om de kenmerken van de moleculaire chiraliteit die inherent is aan biologische materie waar te nemen.

Eindelijk, de natuurkundigen ontdekten dat om een ​​sterk effect in het terahertz-bereik waar te nemen, het is voldoende om magnetische velden aan te leggen, die al door goedkope permanente magneten kunnen worden gegenereerd. Nu de theorie is bevestigd, de onderzoekers blijven werken aan magnetisch verstelbare bronnen en detectoren van terahertz en infrarood licht. Grafeen blijft hen verrassen.