Il grafene è considerato il tuttofare della scienza dei materiali:il reticolo bidimensionale a forma di nido d'ape composto da atomi di carbonio è più forte dell'acciaio e mostra mobilità dei portatori di carica estremamente elevate. È anche trasparente, leggero e flessibile. Non c'è da stupirsi che ci siano molte applicazioni per questo, ad esempio in transistor molto veloci e display flessibili. Un team guidato da scienziati dell'Istituto Max Planck per la struttura e la dinamica della materia di Amburgo ha dimostrato che soddisfa anche un'importante condizione per l'uso in nuovi laser per impulsi terahertz con lunghezze d'onda lunghe. L'emissione diretta di radiazioni terahertz sarebbe utile nella scienza, ma non è stato ancora sviluppato alcun laser che possa fornirlo. Studi teorici hanno precedentemente suggerito che potrebbe essere possibile con il grafene. Però, c'erano dubbi fondati - che la squadra di Amburgo ha ora fugato. Allo stesso tempo, gli scienziati hanno scoperto che l'ambito di applicazione del grafene ha i suoi limiti:in ulteriori misurazioni, hanno dimostrato che il materiale non può essere utilizzato per un'efficiente raccolta della luce nelle celle solari.

Un laser amplifica la luce generando molte copie identiche di fotoni - clonando i fotoni, com'era. Il processo per farlo è chiamato emissione stimolata di radiazioni. Un fotone già prodotto dal laser fa passare gli elettroni nel materiale laser (un gas o un solido) da uno stato di energia superiore a uno stato di energia inferiore, emettendo un secondo fotone completamente identico. Questo nuovo fotone può, a sua volta, generare più fotoni identici. Il risultato è una valanga virtuale di fotoni clonati. Una condizione per questo processo è che più elettroni si trovino nello stato di energia superiore rispetto allo stato di energia inferiore. In linea di principio, ogni semiconduttore può soddisfare questo criterio.

Lo stato denominato inversione di popolazione è stato prodotto e dimostrato nel grafene da Isabella Gierz e dai suoi colleghi del Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter, insieme alla Central Laser Facility di Harwell (Inghilterra) e al Max Planck Institute for Solid State Research di Stoccarda. La scoperta è sorprendente perché il grafene non ha la classica proprietà dei semiconduttori, che è stato a lungo considerato un prerequisito per l'inversione della popolazione:un cosiddetto bandgap. Il bandgap è una regione di stati proibiti di energia, che separa lo stato fondamentale degli elettroni da uno stato eccitato con energia maggiore. Senza energia in eccesso, lo stato eccitato al di sopra del bandgap sarà quasi vuoto e lo stato fondamentale al di sotto del bandgap sarà quasi completamente popolato. Un'inversione di popolazione può essere ottenuta aggiungendo energia di eccitazione agli elettroni per alterare il loro stato energetico a quello al di sopra del bandgap. In questo modo si produce l'effetto valanga sopra descritto.

Fino ad ora, impulsi terahertz sono stati generati solo tramite processi ottici non lineari inefficienti

Però, la banda proibita nel grafene è infinitesimale. "Tuttavia, gli elettroni nel grafene si comportano in modo simile a quelli di un classico semiconduttore", dice Isabella Gierz. In una certa misura, il grafene potrebbe essere pensato come un semiconduttore a banda proibita. A causa dell'assenza di un bandgap, l'inversione della popolazione nel grafene dura solo per circa 100 femtosecondi, meno di un trilionesimo di secondo. "Ecco perché il grafene non può essere utilizzato per i laser continui, ma potenzialmente per impulsi laser ultracorti", Gierz spiega.

Un tale laser al grafene sarebbe particolarmente utile per scopi di ricerca. Potrebbe essere usato per amplificare la luce laser con lunghezze d'onda molto lunghe; le cosiddette radiazioni terahertz. Questo tipo di luce laser potrebbe essere impiegato nella ricerca di base per studiare, Per esempio, superconduttori ad alta temperatura. Ad oggi, radiazione terahertz è stata prodotta utilizzando relativamente inefficienti, cosiddetti processi ottici non lineari. Inoltre, l'intervallo di lunghezze d'onda disponibile è spesso limitato dal materiale non lineare utilizzato. I recenti risultati indicano che il grafene potrebbe essere utilizzato per l'amplificazione ad ampia larghezza di banda di lunghezze d'onda arbitrariamente lunghe.

Però, il team con sede ad Amburgo ha anche deluso le speranze di alcuni scienziati dei materiali - a quanto pare, il grafene probabilmente non è adatto per convertire la radiazione solare in elettricità nelle celle solari. "Secondo le nostre misurazioni, un singolo fotone nel grafene non può rilasciare diversi elettroni, come previsto in precedenza", dice Gierz. Questo è un prerequisito per una conversione efficiente della radiazione in elettricità.

Il carburo di silicio può essere utilizzato per produrre grafene per laser

Gli scienziati di Amburgo hanno studiato il grafene utilizzando un metodo chiamato spettroscopia di fotoemissione risolta nel tempo. Ciò ha comportato l'illuminazione del materiale con impulsi di luce ultravioletta ultracorta (UV). Di conseguenza gli elettroni vengono espulsi dal campione ei fisici ne misurano l'energia e l'angolo di uscita. I dati risultanti vengono utilizzati per stabilire la distribuzione dell'energia degli elettroni nel materiale. La risoluzione temporale si ottiene ritardando il tempo di arrivo dell'impulso della sonda UV rispetto a un impulso di eccitazione arbitrario.

Nel presente esperimento, gli elettroni nel grafene sono stati eccitati usando luce laser infrarossa. Quindi gli scienziati hanno utilizzato la spettroscopia di fotoemissione per dimostrare il verificarsi dell'inversione della popolazione. In un modo simile, stabilirono che la moltiplicazione dei portatori non poteva essere ottenuta mediante radiazione.

Il grafene è stato prodotto dagli scienziati attraverso la decomposizione termica del carburo di silicio. Secondo Gierz, questa procedura può essere utilizzata anche per realizzare un laser al grafene, poiché il carburo di silicio è trasparente e non interferisce con le radiazioni terahertz. Però, il fisico ammette che resta ancora molto lavoro di sviluppo per produrre un laser al grafene.