Il grafene ha suscitato molto entusiasmo tra gli scienziati da quando il materiale di carbonio estremamente forte e sottile è stato scoperto nel 2004. Solo un atomo di spessore, il materiale a forma di nido d'ape ha diverse proprietà notevoli che combinano tenacità meccanica con una conduttività elettrica e termica superiore.

Ora un gruppo di scienziati della Iowa State University, guidato dal fisico Jigang Wang, ha dimostrato che il grafene ha altre due proprietà che potrebbero avere applicazioni nei dispositivi di telecomunicazione ad alta velocità e nella tecnologia laser:l'inversione della popolazione degli elettroni e il guadagno ottico a banda larga.

Wang è un assistente professore presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia del College of Liberal Arts and Sciences dell'Iowa State University. È anche uno scienziato associato con il Laboratorio Ames del Dipartimento di Energia.

Il team di Wang ha emesso impulsi laser estremamente brevi sul grafene. I ricercatori hanno immediatamente scoperto un nuovo stato di grafene fotoeccitato caratterizzato da un'inversione di popolazione a banda larga di elettroni. In condizioni normali, la maggior parte degli elettroni occuperebbe stati a bassa energia e solo pochi popolerebbero stati a più alta energia. Negli stati a popolazione invertita, questa situazione è invertita:più elettroni popolano più in alto, piuttosto che inferiore, stati energetici. Tali inversioni di popolazione sono molto rare in natura e possono avere proprietà molto insolite. Nel grafene, il nuovo stato produce un guadagno ottico dall'infrarosso al visibile.

Semplicemente dichiarato, guadagno ottico significa che esce più luce visibile di quanta ne entri. Questo può accadere solo quando il mezzo di guadagno viene pompato esternamente e quindi stimolato con la luce (emissione stimolata). La scoperta di Wang potrebbe aprire le porte a amplificatori efficienti nel settore delle telecomunicazioni e dispositivi optoelettronici estremamente veloci.

Grafene come mezzo di guadagno per l'amplificazione della luce

"È molto eccitante, " Wang ha detto. "Apre la possibilità di utilizzare il grafene come mezzo di guadagno per l'amplificazione della luce. Potrebbe essere utilizzato nella realizzazione di amplificatori ottici a banda larga o modulatori ad alta velocità per le telecomunicazioni. Fornisce anche implicazioni per lo sviluppo di laser a base di grafene".

Il team di Wang ha svelato i suoi risultati sulla rivista Physical Review Letters il 16 aprile. Oltre a Wang, gli altri autori del documento sono Tianq Li, Liang Luo e Junhua Zhang, studenti laureati in fisica dello stato dell'Iowa; Miron Hupalo, Scienziato del laboratorio Ames; e Michael Tringides e Jörg Schmalian, Professori di fisica dell'Iowa State e scienziati dell'Ames Laboratory.

Wang è un membro del programma di fisica della materia condensata presso l'Iowa State e l'Ames Laboratory. Lui e il suo team conducono esperimenti ottici usando tecniche di spettroscopia laser, dal visibile allo spettro del medio infrarosso e del lontano infrarosso. Usano impulsi laser ultracorti fino a 10 quadrilionesimi di secondo per studiare il mondo della nanoscienza e dei materiali elettronici correlati.

Nel 2004 i ricercatori del Regno Unito Andre Geim e Konstantin Novoselov hanno scoperto il grafene, che ha portato alla loro vincita del Premio Nobel 2010 per la Fisica. Il grafene è un materiale bidimensionale (altezza e larghezza) con un elenco crescente di proprietà uniche note. È un singolo strato di carbonio dello spessore di un solo atomo. Gli atomi di carbonio sono collegati in un reticolo esagonale che sembra un nido d'ape. Nonostante la mancanza di ingombro, il grafene è più forte dell'acciaio, conduce l'elettricità così come il rame e conduce il calore ancora meglio. È anche flessibile e quasi trasparente.

Esisteva una lacuna di comprensione, Wang ha spiegato, tra le due comunità scientifiche che hanno studiato le proprietà elettroniche e fotoniche del grafene. Credeva che il suo gruppo potesse aiutare a colmare il divario elaborando le proprietà ottiche non lineari del grafene e comprendendo lo stato elettronico di non equilibrio. Wang ha spiegato che le proprietà ottiche lineari trasmettono solo la luce:un segnale luminoso entra in un materiale e uno esce. "La proprietà non lineare può modificare e modulare il segnale, non solo trasmetterlo, producendo funzionalità per nuove applicazioni per dispositivi."

Grafene in uno stato altamente non lineare

Wang ha detto che altri scienziati hanno studiato le proprietà ottiche del grafene, ma principalmente nel regime lineare. Il suo team ha ipotizzato di poter generare un nuovo "stato molto non convenzionale" del grafene con conseguente inversione della popolazione e guadagno ottico.

"Siamo stati il ​​primo gruppo ad aprire nuove strade, per iniziare a guardarlo in uno stato altamente eccitato costituito da elettroni estremamente densi - uno stato altamente non lineare. In tale stato, il grafene ha proprietà uniche."

Il gruppo di Wang ha iniziato con monostrati di grafene di alta qualità coltivati ​​da Hupalo e Tringides nel laboratorio di Ames. I ricercatori hanno utilizzato un laser ultraveloce per "eccitare" gli elettroni del materiale con brevi impulsi di luce lunghi appena 35 femtosecondi (35 quadrilionesimi di secondo). Attraverso misurazioni degli stati elettronici fotoindotti, Il team di Wang ha scoperto che la conduttività ottica (o assorbimento) degli strati di grafene è cambiata da positiva a negativa - con conseguente guadagno ottico - quando l'energia dell'impulso della pompa è stata aumentata al di sopra di una soglia.

I risultati hanno indicato che lo stato invertito della popolazione nel grafene fotoeccitato emetteva più luce di quanta ne assorbisse. "L'assorbimento è stato negativo. Significava che l'inversione della popolazione si è effettivamente stabilita nel grafene eccitato e dal mezzo invertito è uscita più luce di quella che è entrata, che è il guadagno ottico, "Ha detto Wang. "La luce emessa mostra un guadagno di circa l'uno percento per uno strato spesso solo un atomo, una cifra nello stesso ordine di quella che si vede negli amplificatori ottici a semiconduttore convenzionali centinaia di volte più spessi."

La chiave per gli esperimenti, Certo, stava creando lo stato altamente non lineare, qualcosa "che normalmente non esiste in equilibrio termico, "Ha detto Wang. "Non puoi semplicemente mettere il grafene sotto la luce e studiarlo. Devi davvero eccitare gli elettroni con l'impulso laser ultraveloce e avere le conoscenze sui comportamenti di soglia per arrivare a tale stato".

Wang ha affermato che c'è ancora molta più ingegneria e perfezione dei materiali prima che il pieno potenziale del grafene per i laser e le telecomunicazioni ottiche sia mai realizzato. "La ricerca mostra chiaramente, anche se, che accendere i grafene può produrre emissioni più luminose e un futuro luminoso, " Egli ha detto.