科学家证明石墨烯适用于太赫兹激光器

发出闪光：石墨烯是一种由碳原子制成的蜂窝状晶格，是发射超短太赫兹脉冲的激光器的合适材料。约格·哈姆斯（JörgHarms）

马克斯·普朗克研究所（Max Planck Institute）的科学家证明，石墨烯满足了用于长波长太赫兹脉冲的新型激光器的重要条件，从而消除了先前的疑问。

石墨烯被认为是材料科学的千篇一律：由碳原子组成的二维蜂窝状晶格比钢强，并且具有极高的载流子迁移率。它也是透明的，轻便的和灵活的。难怪它有很多应用程序-例如，在非常快的晶体管和柔性显示器中。由汉堡的马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所的科学家领导的一个研究小组证明，它也符合用于长波长太赫兹脉冲的新型激光器的重要条件。太赫兹辐射的直接发射在科学中将是有用的，但是尚未开发出能够提供太赫兹辐射的激光器。先前的理论研究表明，使用石墨烯是可能的。但是，存在有充分根据的怀疑-汉堡团队现在已消除了这些怀疑。同时，科学家发现石墨烯的应用范围有其局限性：在进一步的测量中，他们表明该材料不能用于太阳能电池的有效光收集。

激光通过产生许多相同的光子副本来放大光–照原样克隆光子。这样做的过程称为受激辐射。激光器已经产生的光子使激光材料中的电子（气体或固体）从高能态跃迁到低能态，从而发射出第二个完全相同的光子。这个新的光子又可以生成更多相同的光子。结果是克隆光子的虚拟雪崩。此过程的条件是，处于较高能量状态的电子多于处于较低能量状态的电子。原则上，每个半导体都可以满足该标准。

所谓的人口反转状态是由马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所的Isabella Gierz和她的同事以及位于哈威尔（英格兰）的中央激光设施和马克斯·普朗克研究所在石墨烯中产生并证明的。斯图加特的固态研究。这一发现是令人惊讶的，因为石墨烯缺乏经典的半导体性能，长期以来人们一直认为该性能是人口倒置的先决条件：所谓的带隙。带隙是能量的禁态区域，其将电子的基态与具有较高能量的激发态分开。如果没有多余的能量，带隙上方的激发态将几乎为空，而带隙下方的基态几乎将完全填充。可以通过向电子添加激发能以将其能态改变为带隙以上的能态来实现种群反转。这就是产生上述雪崩效应的方式。

到目前为止，太赫兹脉冲仅通过无效的非线性光学过程产生

但是，石墨烯中的禁带是无限小的。“尽管如此，石墨烯中的电子的行为与经典半导体的电子相似”，伊莎贝拉·吉尔兹（Isabella Gierz）说。在一定程度上，石墨烯可以被视为零带隙半导体。由于没有带隙，石墨烯的反转仅持续约100飞秒，不到一秒的万亿分之一。“这就是为什么石墨烯不能用于连续激光，而可能用于超短激光脉冲的原因，” Gierz解释说。

这样的石墨烯激光器对于研究目的将是特别有用的。它可以用于放大很长波长的激光。所谓的太赫兹辐射。这种类型的激光可以用于基础研究中，例如，研究高温超导体。迄今为止，太赫兹辐射已经使用效率相对较低的所谓的非线性光学过程产生。另外，可用的波长范围通常受所用非线性材料的限制。最近的发现表明，石墨烯可用于任意长波长的宽带宽放大。

但是，总部位于汉堡的团队也打破了一些材料科学家的希望-事实证明，石墨烯可能不适合将太阳能辐射转化为太阳能电池中的电能。吉尔兹说：“根据我们的测量，石墨烯中的单个光子不能释放出多个电子，这与以前的预期一样。”这是将辐射有效转换为电的先决条件。

碳化硅可用于生产激光器的石墨烯

汉堡的科学家使用一种称为时间分辨光发射光谱的方法研究了石墨烯。这涉及用超短紫外线（UV）脉冲照明材料。结果，电子被迫离开样品，物理学家测量其能量和出射角。所得数据用于建立材料中电子的能量分布。通过延迟UV探针脉冲相对于任意激发脉冲的到达时间来实现时间分辨率。

在本实验中，使用红外激光激发石墨烯中的电子。然后，科学家利用光发射光谱法证明了种群反转的发生。他们以类似的方式确定了辐射无法实现载波倍增。

石墨烯是科学家通过碳化硅的热分解生产的。根据Gierz的说法，由于碳化硅是透明的并且不会干扰太赫兹辐射，因此该过程也可以用于制造石墨烯激光器。但是，物理学家承认，要生产石墨烯激光器，还有许多开发工作要做。

出版物：Isabella Gierz等人，“石墨烯中非平衡Dirac载流子分布的快照”，《自然材料》，2013年； doi：10.1038 / nmat3757

图像：约格·哈姆斯（JörgHarms）