Благодаря американским ученым графен в очередной раз продемонстрировал свои перспективы применительно к приложениям фотоники. Оказалось, что этот удивительный материал может испускать инфракрасное излучение при возбуждении короткими (длительностью не более 35 фемтосекунд) лазерными импульсами.

В рамках своих экспериментов ученые продемонстрировали два важнейших свойства материала: инверсию заселенностей энергетических уровней электронами, а также возможность оптического усиления.

Полученные результаты подтверждают, что графен, несмотря на отсутствие запрещенной зоны в его энергетической структуре, может использоваться в различных оптоэлектронных устройствах, в том числе в широкополосных оптических усилителях, высокоскоростных модуляторах и детекторах для телекоммуникаций и сверхбыстрых источников лазерного излучения.

Графен представляет собой двумерный лист атомов углерода, образующих гексагональную кристаллическую решетку. С момента своего открытия в 2004 году материал не прекращает удивлять ученых все пополняющимся списком уникальных электронных и механических свойств. В будущем графен может найти применение во множестве технологических областей, в частности, он мог бы заменить кремний на роли основного материала электронной промышленности. Это возможно, благодаря тому, что электроны проходят через графен на чрезвычайно высоких скоростях, демонстрируя поведение частиц Дирака, не имеющих массы покоя.

Также графен может быть идеальным кандидатом для приложений фотоники, особенно в ракурсе оптической связи, где скорость прохождения сигнала – крайне важный параметр. Ранние эксперименты показали, что

материал обладает практически идеальной «внутренней квантовой эффективностью», т.к. почти каждый фотон, поглощаемый в графене, генерирует электронно-дырочную пару, которая, в принципе, может быть преобразована в электрический ток. А благодаря «дираковому» поведению электронов, графен может поглощать видимый свет любого цвета. Более того, он очень быстро реагирует на свет, что открывает для него возможность использования в сфере создания устройств для быстрых оптических коммуникаций.

Научные группы с разных концов мира уже доказали, что

графен может стать основой таких устройств, как солнечные батареи, источники света, сенсорные экраны и фотоприемники.

В своей новой работе совместная научная группа из Ames Laboratory и Iowa State University (США) рассмотрела еще одну ситуацию – когда материал возбуждается фемтосекундными импульсами света, создающими так называемые неравновесные зарядовые состояния. Понимание подобных нелинейных явлений имеет огромное значение для создания реальных оптических устройств, в том числе, сверхбыстрых модуляторов, усилителей и преобразователей длин волн.

В своих экспериментах научная группа воздействовала на высококачественный монослой графена импульсами длительностью 35 фемтосекунд с энергией 1,55 эВ. После этого они измеряли количество отраженного от образца света, т.к. в частном случае графена это измерение дает информацию о количестве поглощенного излучения, зависящего от оптической проводимости графена.

В рамках эксперимента ученые обнаружили, что

оптическая проводимость изменяется с положительной на отрицательную при повышении интенсивности импульсов накачки. Это говорит о возможности оптического усиления. Причем, исследования показывают, что оптическое усиление можно наблюдать в широком диапазоне энергий. Команда также показала, что интенсивная внешняя «накачка» лазерными импульсами формирует так называемую инверсию населенностей электронных уровней в графене, что стимулирует когерентное излучение в инфракрасном диапазоне. Излучаемый когерентный поток фотонов усиливается примерно на 1%, что намного больше, чем в обычных полупроводниковых оптических усилителях.

Обнаруженные свойства доказывают, что

графен может использоваться в таких приложениях, как широкополосные оптические усилители и лазеры для телекоммуникационных нужд.

Подробные результаты работы ученых были опубликованы в журнале Physical Review Letters.