Графен считается универсальным материалом в такой науке, как материаловедение: его двумерная сотовидная решетка, состоящая из атомов углерода, прочнее стали и обладает чрезвычайно высокой подвижностью носителей заряда, кроме того, прозрачная, легкая и гибкая.
Неудивительно, что для графена есть много приложений — например, в очень быстрых транзисторах и гибких дисплеях. Команда исследователей, возглавляемая учеными Института Макса Планка, изучающая структуру и динамику вещества в Гамбурге, показала, что графен может найти применение в новых лазерах для генерации терагерцового импульса с большой длиной волны.
Лазерное излучение терагерцового диапазона очень востребовано в науке, но пока что подобные лазеры не разработаны. Ранее проведенными теоретическими исследованиями было показано, что подобные лазеры могут быть созданы с использованием графена. Однако были обоснованные сомнения, которые ученые из Гамбурга сейчас рассеяли, параллельно обнаружив, что применение графена имеет свои ограничения, в частности они, показали, что графен не может использоваться для эффективного сбора света в солнечных элементах.
В принципе, каждый полупроводниковый материал может соответствовать этому критерию, для создания подобного распределения электронов, называемого инверсией. Именно такое распределение, инверсию, создали и продемонстрировали у графена Изабелла Гиерз (Isabella Gierz) и ее коллеги из Центра лазерных установок (Central Laser Facility) в Харвелле (Harwell) (Англия).
До сих пор терагерцовые импульсы генерировались с помощью неэффективных процессов в нелинейных оптических средах.
«Наши исследования показали, что электроны графена подобны электронам классического полупроводника, — говорит Изабелла Гиерз. — В определенной степени, графен может рассматриваться как полупроводник, имеющий нулевую запрещенную зону. Поэтому инверсия в графене длится всего около 100 фемтосекунд, менее триллионной доли секунды. Вот почему графен не может быть использован для непрерывных лазеров, но потенциально есть возможность генерации сверхкоротких лазерных импульсов».
Такой графеновый лазер был бы особенно полезен для исследовательских целей. Например, для широкополосного усиления лазерного света с очень большой длиной волны, так называемого терагерцового излучения. Этот тип лазерного света может быть использован также в области фундаментальных исследований по изучению, например, высокотемпературных сверхпроводников.