(Phys.org) - Un voltaje eléctrico aplicado puede provocar que una rodaja de grafeno de un centímetro cuadrado cambie y controle la transmisión de radiación electromagnética con longitudes de onda desde el terahercio hasta el infrarrojo medio.

El experimento de la Universidad de Rice avanza la ciencia de la manipulación de longitudes de onda de luz particulares de formas que podrían ser útiles en dispositivos electrónicos avanzados y sensores optoelectrónicos.

En trabajos anteriores, el laboratorio de Rice del físico Junichiro Kono encontró una manera de usar matrices de nanotubos de carbono como un polarizador de terahercios casi perfecto. Esta vez, el equipo dirigido por Kono está trabajando en un nivel aún más básico; Los investigadores están conectando una hoja de grafeno, la forma de carbono de un átomo de espesor, para aplicar un voltaje eléctrico y así manipular lo que se conoce como energía de Fermi. Ese, Sucesivamente, deja que el grafeno sirva como un colador o un obturador para la luz.

El descubrimiento de Kono y sus colegas en Rice y el Instituto de Ingeniería Láser de la Universidad de Osaka se informó en línea este mes en la revista American Chemical Society. Nano letras .

En grafeno, "Los electrones se mueven como fotones, o luz. Es el material más rápido para mover electrones a temperatura ambiente, "Dijo Kono, profesor de ingeniería eléctrica e informática y de física y astronomía. Señaló que muchos grupos han investigado las exóticas propiedades eléctricas del grafeno a frecuencias bajas o cero.

“Ha habido predicciones teóricas sobre las propiedades inusuales de terahercios y medio infrarrojo de los electrones en el grafeno en la literatura, pero casi nada se había hecho en este rango experimentalmente, ”Dijo Kono.

Clave para el nuevo trabajo, él dijo, son las palabras "área grande" y "cerrada".

"Grandes porque los infrarrojos y los terahercios tienen longitudes de onda largas y son difíciles de enfocar en un área pequeña, ”Dijo Kono. "Gated simplemente significa que colocamos electrodos, y aplicando un voltaje entre los electrodos y el sustrato (de silicio), podemos sintonizar la energía de Fermi ".

La energía de Fermi es la energía del estado cuántico de electrones ocupado más alto dentro de un material. En otras palabras, define una línea que separa los estados cuánticos ocupados por electrones de los estados vacíos. “Dependiendo del valor de la energía Fermi, el grafeno puede ser de tipo p (positivo) o de tipo n (negativo), ”Dijo.

Realizar mediciones precisas requirió lo que se considera en el mundo nano como una hoja muy grande de grafeno, aunque era un poco más pequeño que un sello postal. El centímetro cuadrado de carbono de un átomo de espesor se cultivó en el laboratorio del químico de Rice James Tour, un coautor del artículo, y se colocaron electrodos de oro en las esquinas.

Al aumentar o disminuir el voltaje aplicado, se sintonizó la energía de Fermi en la hoja de grafeno, lo que a su vez cambió la densidad de los portadores libres que son buenos absorbentes de terahercios y ondas infrarrojas. Esto le dio a la hoja de grafeno la capacidad de absorber algunas o todas las ondas de terahercios o infrarrojas o dejarlas pasar. Con un espectrómetro, el equipo descubrió que la transmisión de terahercios alcanzaba un máximo de energía Fermi cercana a cero, alrededor de más 30 voltios; con más o menos voltaje, el grafeno se volvió más opaco. Para infrarrojos, el efecto fue el contrario, él dijo, ya que la absorción era grande cuando la energía de Fermi estaba cerca de cero.

“Este experimento es interesante porque nos permite estudiar las propiedades básicas en terahercios de los portadores libres con electrones (suministrados por el voltaje de la puerta) o sin ellos, ”Dijo Kono. La investigación se extendió al análisis de los dos métodos por los cuales el grafeno absorbe la luz:a través de la absorción interbanda (para infrarrojos) e intrabanda (para terahercios). Kono y su equipo descubrieron que la variación de la longitud de onda de la luz que contenía frecuencias de terahercios e infrarrojas permitía una transición de la absorción de una a la otra. “Cuando variamos la energía de los fotones, podemos pasar sin problemas del régimen de terahercios intrabanda al infrarrojo dominado por interbandas. Esto nos ayuda a comprender la física subyacente al proceso, ”Dijo.

También encontraron que el recocido térmico (calentamiento) del grafeno lo limpia de impurezas y altera su energía Fermi. él dijo.

Kono dijo que su laboratorio comenzará a construir dispositivos mientras investiga nuevas formas de manipular la luz, quizás combinando grafeno con elementos plasmónicos que permitirían un grado de control más fino.

Los coautores del artículo incluyen a los ex estudiantes graduados de Rice Lei Ren, Jun Yao y Zhengzong Sun; El estudiante graduado de Rice, Qi Zhang; Los investigadores postdoctorales de Rice Zheng Yan y Sébastien Nanot; el ex investigador postdoctoral de Rice, Zhong Jin; y el estudiante de posgrado Ryosuke Kaneko, el profesor asistente Iwao Kawayama y el profesor Masayoshi Tonouchi del Instituto de Ingeniería Láser, Universidad de Osaka.