利用石墨烯實(shí)現(xiàn)太赫茲波和紅外光的按需控制

日內(nèi)瓦大學(xué)和曼徹斯特大學(xué)的研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了石墨烯中的強(qiáng)磁光共振理論。

利用磁場(chǎng)或電場(chǎng)控制紅外光和太赫茲波，是物理學(xué)領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)之一，有望徹底改變光電子學(xué)、電信和醫(yī)學(xué)診斷。早在2006年的一項(xiàng)理論預(yù)測(cè)，在磁場(chǎng)中使用石墨烯，應(yīng)該不僅可以按需吸收太赫茲波和紅外光，還可以控制圓偏振（極化）的方向。日內(nèi)瓦大學(xué)（University of Geneva, UNIGE)和曼徹斯特大學(xué)（University of Manchester）的研究人員成功地測(cè)試了這一理論并獲得了預(yù)期的結(jié)果。該研究已發(fā)表于Nature Nanotechnology雜志，表明科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種控制紅外光和太赫茲波的有效方法。

“有一種被稱為Dirac的材料，其電子表現(xiàn)得好像沒(méi)有質(zhì)量，類似于光子，”UNIGE量子物質(zhì)物理系研究員Alexey Kuzmenko解釋稱。這種材料之一便是石墨烯（一種單層碳原子成蜂窩狀排列的結(jié)構(gòu)），類似于制造鉛筆所用的石墨。

石墨烯和光之間的相互作用提示這種材料或能用于控制紅外光和太赫茲波?！斑@將是光電子、安全、電信和醫(yī)療診斷領(lǐng)域的巨大飛躍，”UNIGE研究人員指出。

新實(shí)驗(yàn)支持舊理論

2006年的理論預(yù)測(cè)認(rèn)為，如果將Dirac材料放置在磁場(chǎng)中，它會(huì)產(chǎn)生非常強(qiáng)的回旋共振。“當(dāng)帶電粒子在磁場(chǎng)中時(shí)，它會(huì)在圓形軌道上運(yùn)動(dòng)并吸收軌道或回旋加速器的電磁能量，就像在歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中的情況一樣，”Alexey Kuzmenko解釋說(shuō)，“而當(dāng)帶電粒子沒(méi)有質(zhì)量，就像石墨烯中的電子，那光的吸收最大！”

為了證明這種最大吸收，物理學(xué)家需要一種非常純的石墨烯，在這種條件下長(zhǎng)距離傳輸?shù)碾娮硬挪粫?huì)在雜質(zhì)或晶體缺陷上分散。但是這種純度和晶格的石墨烯很難獲得，只有當(dāng)石墨烯被封在另一種二維材料——氮化硼（boron nitride）中時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。

UNIGE的研究人員通過(guò)與André Geim領(lǐng)導(dǎo)的曼徹斯特大學(xué)合作（André Geim因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了石墨烯而在2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)），開(kāi)發(fā)極其純凈的石墨烯樣品。雖然這些樣品對(duì)于這種類型的石墨烯來(lái)說(shuō)已經(jīng)很大了，但是它們還是相對(duì)太小，無(wú)法用目前的成熟技術(shù)來(lái)量化回旋共振。因此，日內(nèi)瓦的研究人員構(gòu)建了一種特殊的實(shí)驗(yàn)裝置，將紅外光和太赫茲輻射集中在磁場(chǎng)中的純石墨烯樣品上?！皩?shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了2006年的理論！”Alexey Kuzmenko稱。

定制控制偏振

實(shí)驗(yàn)結(jié)果首次表明，如果采用純石墨烯層，確實(shí)會(huì)發(fā)生巨大的磁光效應(yīng)?！艾F(xiàn)在，紅外光最大可能的磁吸收在單原子層中實(shí)現(xiàn)了，”Alexey Kuzmenko說(shuō)。

此外，物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)還可以選擇吸收左旋圓偏振或是右旋圓偏振。“天然或本征石墨烯是電中性的，吸收所有光。但是，如果我們引入正電荷或負(fù)電荷載流子，就可以選擇吸收哪種偏振，并且，在紅外光和太赫茲波范圍都有效，”研究人員解釋說(shuō)。

這種能力具有至關(guān)重要的作用，特別是在藥物開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，某些關(guān)鍵藥物分子會(huì)根據(jù)偏振方向與光相互作用。有趣的是，這種控制能力還被認(rèn)為有望用于尋找系外行星的生命，因?yàn)橛锌赡苡^察到生物物質(zhì)中固有的分子手性特征。

最后，物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，為了觀察太赫茲波范圍內(nèi)的強(qiáng)烈效應(yīng)，通過(guò)廉價(jià)的永磁體施加磁場(chǎng)就足夠了。

現(xiàn)在該理論得到了證實(shí)，研究人員將繼續(xù)研究太赫茲波和紅外光范圍的磁力可調(diào)源及探測(cè)器。期待石墨烯給我們帶來(lái)更多驚喜！