Gefrorenes Licht in Graphen

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Regensburger Wissenschaftler veröffentlichen zusammen mit internationalem Forscherteam in Fachzeitschrift „Nature Physics“

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2. März 2022

Wissenschaftler der Universität Regensburg, des Massachusetts Institute of Technology, des Moskauer Instituts für Physik und Technologie und der University of Kansas haben eine ungewöhnlich starke Lichtabsorption in Graphen entdeckt. Der Effekt entsteht durch die Umwandlung gewöhnlicher elektromagnetischer Wellen in superlangsame Oberflächenwellen, die durch Graphen, eine zweidimensionale Schicht aus Kohlenstoffatomen, laufen. Die Beobachtung ist von grundlegendem Interesse und könnte als Grundlage für extrem empfindliche Infrarot- und Terahertz-Detektoren dienen, die viel kleiner sind als herkömmliche Detektoren, aber eine ähnliche Absorptionsleistung aufweisen. Die Untersuchungen wurden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1277 durchgeführt und in der renommierten Zeitschrift Nature Physics veröffentlicht.

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Gefrorenes Licht in Graphen.©: Darya Sokol

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Die alltägliche Erfahrung lehrt uns, dass die Effizienz der Energiegewinnung durch Licht proportional zur Fläche des absorbierenden Objektes ist. Photovoltaik-Solarparks, die in vielen Wüsten zu finden sind, sind ein klares Indiz dafür. Doch kann ein Objekt Strahlung von einer Fläche absorbieren, die größer ist als es selbst? Ja, kann es! Ein internationales Forscherteam zeigte nun, dass Graphen, eine zweidimensionale Schicht aus Kohlenstoffatomen, alle Voraussetzungen dafür schafft. Setzt man dieses Material einem Magnetfeld aus und bestrahlt es mit einem Terahertz-Laser, welcher Strahlung im Frequenzbereich zwischen der Infrarotstrahlung und den Mikrowellen aussendet, erhält man eine Art Superabsorber. Es stellt sich heraus, dass wenn die Frequenz der Strahlung einer Resonanzbedingung mit den Elektronen im System genügt, die Absorptionsfläche um mehrere Größenordnungen anwachsen kann. Innerhalb dieser Resonanz werden die Elektronen stark abgebremst – ihre Geschwindigkeit sinkt fast auf Null, so dass sie in eine Art Starre verfallen. Strahlung, die nun auf das Graphen trifft, wird eingefangen und in eine ultralangsame Oberflächenwelle umgewandelt, die von einer Probengrenze zur anderen wandert. Diese Wellen bleiben im Graphen "stecken" und verharren dort, bis sie schließlich absorbiert werden.

Im Rahmen dieser Studie des Sonderforschungsbereichs 1277 erwies sich Graphen als eine sehr geeignete Plattform für die Beobachtung einer anomal starken Terahertz-Absorption. Die Experimente wurden am Terahertz-Zentrum (TerZ) der Universität Regensburg von Erwin Mönch unter der Leitung von Professor Dr. Sergey D. Ganichev durchgeführt. Die Beobachtbarkeit des Phänomens ist jedoch nicht auf Graphen allein beschränkt – viele Materialien und darauf basierende Nanostrukturen unterstützen ultralangsame Oberflächenwellen. Diese zu entdecken und zu erforschen ist ein unmittelbares Ziel des internationalen Forscherteams.

Veröffentlichung:

Nature Physics; D. A. Bandurin, E. Mönch, K. Kapralov, I. Y. Phinney, K. Lindner, S. Liu, J. H. Edgar, I. A. Dmitriev, P. Jarillo-Herrero, D. Svintsov & S. D. Ganichev;  Cyclotron resonance overtones and near-field magnetoabsorption via terahertz Bernstein modes in graphene
DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-021-01494-8

 
Die Skizze der untersuchten Probe. Graphen in einem senkrecht angelegten Magnetfeld B wird mit Terahertz-Strahlung beleuchtet. Mehrere Metallkontakte (gelb) werden zum Auslesen des Photosignals verwendet. © Abbildung aus D. A. Bandurin, et al., Nat. Phys. (2022), erstellt von Denis A. Bandurin.