El grafeno ha causado mucho entusiasmo entre los científicos desde que se descubrió el material de carbono extremadamente fuerte y delgado en 2004. Solo un átomo de espesor, el material en forma de panal tiene varias propiedades notables que combinan la tenacidad mecánica con una conductividad eléctrica y térmica superior.

Ahora, un grupo de científicos de la Universidad Estatal de Iowa, dirigido por el físico Jigang Wang, ha demostrado que el grafeno tiene otras dos propiedades que podrían tener aplicaciones en dispositivos de telecomunicaciones de alta velocidad y tecnología láser:inversión de población de electrones y ganancia óptica de banda ancha.

Wang es profesor asistente en el Departamento de Física y Astronomía de la Facultad de Artes y Ciencias Liberales de la Universidad Estatal de Iowa. También es científico asociado del Laboratorio Ames del Departamento de Energía.

El equipo de Wang emitió pulsos de láser extremadamente cortos en grafeno. Los investigadores descubrieron inmediatamente un nuevo estado de grafeno fotoexcitado que se caracteriza por una inversión de electrones en la población de banda ancha. Bajo condiciones normales, la mayoría de los electrones ocuparían estados de baja energía y solo unos pocos poblarían estados de mayor energía. En estados de población invertida, esta situación se invierte:más electrones pueblan más arriba, en lugar de más bajo, estados de energía. Tales inversiones de población son de naturaleza muy rara y pueden tener propiedades muy inusuales. En grafeno, el nuevo estado produce una ganancia óptica del infrarrojo al visible.

Indicado simplemente, La ganancia óptica significa que sale más luz visible de la que entra. Esto solo puede suceder cuando el medio de ganancia se bombea externamente y luego se estimula con luz (emisión estimulada). El descubrimiento de Wang podría abrir las puertas a amplificadores eficientes en la industria de las telecomunicaciones y dispositivos optoelectrónicos extremadamente rápidos.

El grafeno como medio de ganancia para la amplificación de la luz

"Es muy emocionante, "Dijo Wang." Abre la posibilidad de usar grafeno como un medio de ganancia para la amplificación de la luz. Podría utilizarse para fabricar amplificadores ópticos de banda ancha o moduladores de alta velocidad para telecomunicaciones. Incluso proporciona implicaciones para el desarrollo de láseres basados ​​en grafeno ".

El equipo de Wang dio a conocer sus hallazgos en la revista Physical Review Letters el 16 de abril. Además de Wang, Los otros autores del artículo son Tianq Li, Liang Luo y Junhua Zhang, Estudiantes graduados de física del estado de Iowa; Miron Hupalo, Científico del laboratorio Ames; y Michael Tringides y Jörg Schmalian, Profesores de física del estado de Iowa y científicos del laboratorio Ames.

Wang es miembro del programa de Física de la Materia Condensada en el estado de Iowa y el Laboratorio Ames. Él y su equipo realizan experimentos ópticos utilizando técnicas de espectroscopia láser, desde el espectro visible al infrarrojo medio y al infrarrojo lejano. Utilizan pulsos de láser ultracortos de hasta 10 cuatrilloneses de segundo para estudiar el mundo de la nanociencia y los materiales electrónicos correlacionados.

En 2004, los investigadores del Reino Unido Andre Geim y Konstantin Novoselov descubrieron el grafeno, lo que les llevó a ganar el Premio Nobel de Física 2010. El grafeno es un material bidimensional (alto y ancho) con una lista cada vez mayor de propiedades únicas conocidas. Es una capa única de carbono de un solo átomo de espesor. Los átomos de carbono están conectados en una red hexagonal que parece un panal. A pesar de la falta de volumen, el grafeno es más fuerte que el acero, Conduce tanto la electricidad como el cobre y conduce el calor aún mejor. También es flexible y casi transparente.

Existía una brecha de comprensión, Wang explicó, entre las dos comunidades científicas que estudiaron las propiedades electrónicas y fotónicas del grafeno. Creía que su grupo podría ayudar a cerrar la brecha al elaborar las propiedades ópticas no lineales del grafeno y comprender el estado electrónico de no equilibrio. Wang explicó que las propiedades ópticas lineales solo transmiten luz:una señal de luz entra en un material y sale otra. "La propiedad no lineal puede cambiar y modular la señal, no solo transmitirlo, producir funcionalidad para aplicaciones de dispositivos novedosos ".

Grafeno en un estado altamente no lineal

Wang dijo que otros científicos han estudiado las propiedades ópticas del grafeno. pero principalmente en el régimen lineal. Su equipo planteó la hipótesis de que podrían generar un nuevo "estado muy poco convencional" de grafeno que daría como resultado la inversión de la población y la ganancia óptica.

"Fuimos el primer grupo en abrir nuevos caminos, para comenzar a mirarlo en un estado altamente excitado que consiste en electrones extremadamente densos, un estado altamente no lineal. En tal estado el grafeno tiene propiedades únicas ".

El grupo de Wang comenzó con monocapas de grafeno de alta calidad cultivadas por Hupalo y Tringides en el laboratorio Ames. Los investigadores utilizaron un láser ultrarrápido para "excitar" los electrones del material con pulsos cortos de luz de solo 35 femtosegundos de duración (35 cuatrillones de segundo). Mediante mediciones de los estados electrónicos fotoinducidos, El equipo de Wang descubrió que la conductividad óptica (o absorción) de las capas de grafeno cambiaba de positiva a negativa, lo que resultaba en la ganancia óptica, cuando la energía del pulso de la bomba aumentaba por encima de un umbral.

Los resultados indicaron que la población en estado invertido en grafeno fotoexcitado emitía más luz de la que absorbía. "La absorción fue negativa. Significó que la inversión de la población se estableció de hecho en el grafeno excitado y salió más luz del medio invertido que la que entró," que es ganancia óptica, "Dijo Wang." La luz emitida muestra una ganancia de alrededor del uno por ciento para una capa de apenas un átomo de espesor, una cifra en el mismo orden que lo que se ve en los amplificadores ópticos semiconductores convencionales cientos de veces más gruesos ".

La clave de los experimentos, por supuesto, estaba creando el estado altamente no lineal, algo "que normalmente no existe en equilibrio térmico, "Dijo Wang." No se puede simplemente poner grafeno bajo la luz y estudiarlo. Tienes que excitar realmente los electrones con el pulso láser ultrarrápido y tener el conocimiento de los comportamientos de umbral para llegar a tal estado ".

Wang dijo que se avecina mucha más perfección en la ingeniería y los materiales antes de que se realice el potencial completo del grafeno para las telecomunicaciones ópticas y los láseres. "La investigación muestra claramente, aunque, que la iluminación de grafenos puede producir emisiones más brillantes, así como un futuro brillante, " él dijo.