Исследователи подтверждают теорию мощного магнитооптического резонанса в графене

Способность манипулировать терагерцовыми и инфракрасными волнами с помощью электрических или магнитных полей является одной из больших задач в физике, которая может трансформировать телекоммуникации, оптоэлектронику и медицинскую диагностику.

Экспериментальное устройство, фокусирующее инфракрасное и терагерцовое излучение на небольших образцах чистого графена в магнитном поле, созданное командой UNIGE. (Изображение предоставлено: © UNIGE, Евгения Недолюк)

В 2006 году теория предсказала, что можно было бы использовать графен – одноатомный материал, содержащий атомы углерода – в магнитном поле не только для поглощения инфракрасного и терагерцового света по требованию, но и для регулирования хода круговой поляризации.

Ученые из Женевского университета (UNIGE), Швейцарии и Манчестерского университета успешно протестировали эту теорию и достигли предсказанных результатов. Исследование, которое будет опубликовано в журнале Nature Nanotechnology показывает, что исследователи обнаружили эффективный метод управления терагерцовыми и инфракрасными волнами. Это также доказало, что графен верен своим основным обещаниям и скоро станет материалом будущего, будь то в космосе или на земле.

«Существует класс так называемых дираковских материалов, где электроны ведут себя так, как будто они не имеют массы, подобной легким частицам, фотонам», объясняет Алексей Кузьменко, научный сотрудник кафедры квантовой материи физики научного факультета UNIGE, который проводил это исследование вместе с Евгенией Недолюк. Одним из таких материалов является графен, монослой атомов углерода, имеющий сотовую структуру, аналог графита, используемого специально для изготовления карандашей.

Взаимодействие между графеном и светом указывает на то, что этот материал можно использовать для манипулирования терагерцовыми и инфракрасными волнами. «Это было бы огромным шагом вперед для оптоэлектроники, безопасности, телекоммуникаций и медицинской диагностики» указывает ученый из Женевы.

Резервное копирование старой теории с помощью экспериментов

Теоретический прогноз 2006 года постулировал, что если материал Дирака находится в магнитном поле, он создаст очень мощный циклотронный резонанс.

Когда заряженная частица находится в магнитном поле, она движется по круговой орбите и поглощает электромагнитную энергию на орбитальной или циклотронной частоте, как, например, это происходит в Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе . И когда частицы имеют заряд, но не имеют массы, как электроны в графене, поглощение света достигает своего максимума!

Алексей Кузьменко, научный сотрудник, кафедра квантовой физики, научный факультет, UNIGE

Чтобы продемонстрировать это максимальное поглощение, физикам требовался очень чистый графен, чтобы электроны, путешествующие на большие расстояния, не рассеивались на кристаллических дефектах или примесях. Но этот уровень чистоты и порядок решетки сложно получить, и они достигаются только тогда, когда графен сжимается в другом двумерном материале – нитриде бора.

Ученые UNIGE в партнерстве с командой из Манчестерского университета во главе с Андре Геймом, который получил Нобелевскую премию по физике за открытие графена в 2010 году, разработали образцы очень чистого графена. Эти образцы, которые были огромны для графена этого типа, были, однако, очень малы для количественного определения циклотронного резонанса с использованием проверенных методов.

Вот почему женевские ученые придумали специальную экспериментальную систему для фокусировки терагерцового и инфракрасного излучения на небольших образцах чистого графена в магнитном поле. «И результат эксперимента подтвердил теорию с 2006 года!» добавляет Алексей Кузьменко.

Пользовательская поляризация

Результаты впервые показали, что массивный магнитооптический эффект действительно имеет место, если используется слой чистого графена. «Максимально возможное магнитопоглощение инфракрасного света теперь достигается в одноатомном слое», говорит Алексей Кузьменко.

Кроме того, физики узнали, что можно было выбрать, какая круговая поляризация – правая или левая – должна быть поглощена.

Природный или собственный графен является электрически нейтральным и поглощает весь свет, независимо от его поляризации. Но если мы вводим электрически заряженные носители, положительные или отрицательные, мы можем выбрать, какая поляризация будет поглощена, и это работает как в инфракрасном, так и в терагерцовом диапазонах.

Алексей Кузьменко, научный сотрудник, кафедра квантовой физики, научный факультет, UNIGE

Эта способность играет жизненно важную роль, особенно в аптеке, где некоторые важные молекулы лекарственного средства взаимодействуют со светом в зависимости от направления поляризации. Примечательно, что этот контроль считается перспективным для охоты на жизнь на экзопланетах, поскольку можно отслеживать сигнатуры молекулярной хиральности, врожденной в биологическом веществе.

Наконец, физики узнали, что для мониторинга сильного эффекта в терагерцовом диапазоне достаточно применить магнитные поля, которые могут быть созданы экономичным постоянным магнитом. После того, как концепция была создана, ученые продолжат работу над магнитно-модифицируемыми источниками и детекторами инфракрасного и терагерцового света. Графен продолжает удивлять их.

Источник: http://www.unige.ch

Source link