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《Nature》子刊:石墨烯可以控制红外线和太赫兹波!

  • 来源:自然杂志
  • 阅读量:1004
  • 时间:2019-07-25 15:33:11

 

由UNIGE团队建造的将红外和太赫兹辐射聚焦在磁场中的纯石墨烯小样品上的实验装置

 

      利用磁场或电场控制红外线和太赫兹波的技术是物理学中可能彻底改变光电子学、电信和医学诊断等领域的巨大挑战之一。2006年的一项理论预测,应该可以在磁场中使用石墨烯(单原子层碳原子)实现该技术,它不仅可以根据需要吸收太赫兹和红外光,还可以控制圆偏振光的方向。 

      近日消息,日内瓦大学(UNIGE)、瑞士大学和曼彻斯特大学的研究人员成功地测试验证了这一理论并取得了预期的结果。该研究发表在Nature Nanotechnology杂志上,表明科学家们发现了一种控制红外和太赫兹波的有效方法。它还表明,石墨烯正在保持其最初的承诺,并且正在成为未来的材料,无论是在地球上还是在太空中。

      “众所周知,存在一类所谓的狄拉克材料,其中电子表现得好像没有质量,类似于光粒子、光子,”UNIGE量子物质系研究员Alexey Kuzmenko解释说。科学系与Ievgeniia Nedoliuk一起进行了这项研究。石墨烯就是这种狄拉克材料之一,它是以蜂窝结构排列的单层碳原子,与用于制造铅笔的石墨有关。

      石墨烯和光之间的相互作用表明这种材料可用于控制红外和太赫兹波。“这将是光电子、安全、电信和医疗诊断领域的一大进步,”日内瓦的研究人员指出。

 

通过实验验证了以前的理论

 

      2006年,科学家提出一项预测理论,认为如果将狄拉克材料放置在磁场中,它将产生非常强的回旋共振。“当带电粒子处于磁场中时,它会以圆轨道运动并吸收轨道或回旋加速器频率的电磁能量。例如,这有可能发生在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机上,”Alexey Kuzmenko解释说。“当粒子带电而没有质量时,就像石墨烯中的电子一样,光的吸收最大!”

      为了证明这种最大吸收,物理学家需要一种非常纯净的石墨烯,以便长距离传播的电子不会散布在杂质或晶体缺陷上。但是这种纯度和晶格级别很难获得,并且只有当石墨烯被封装在另一种二维材料 - 氮化硼中时才能实现。

      UNIGE的研究人员与曼彻斯特大学的团队合作,该团队由2010年诺贝尔物理学奖获得者AndréGeim领导,他们开发出了极其纯净的石墨烯样品。这些样品对于这种类型的石墨烯而言特别大,但仍然太小,无法用成熟的技术来量化回旋共振。这就是为什么日内瓦研究人员建立了一个特殊的实验装置,将红外和太赫兹辐射集中在磁场中的纯石墨烯的小样品上。“实验结果证实了2006年的理论!” Alexey Kuzmenko补充道。

 

定制控制极化

 

      该实验结果结果首次表明,如果使用纯石墨烯层,确实会发生巨大的磁光效应。“现在,红外光的最大可能磁吸收是在单原子层中实现的,”Kuzmenko说。

      此外,物理学家发现可以选择应该吸收哪个圆极化 - 左或右 - 。“天然或本征石墨烯是电中性的,无论其极化如何,都能吸收所有光。但如果我们引入带正电或负电的载流子,我们可以选择吸收哪种极化,这在红外和太赫兹范围都有效, “科学家继续说道。这种能力起着至关重要的作用,特别是在药物研究中,某些关键药物分子根据极化方向与光相互作用。有趣的是,这种控制被认为有望用于寻找系外行星的生命,因为有可能观察到生物物质中固有的分子手性的特征。

      最后,物理学家发现,为了观察太赫兹范围内的强烈效应,施加磁场就足够了,磁场可以通过廉价的永磁体产生。现在该理论得到了证实,研究人员将继续研究磁力可调源和太赫兹光和红外光探测器。石墨烯的潜能将继续让他们感到惊讶。