El grafeno se considera el arte de todos los oficios de la ciencia de los materiales:la celosía bidimensional en forma de panal compuesta por átomos de carbono es más fuerte que el acero y exhibe una movilidad de portador de carga extremadamente alta. También es transparente, ligero y flexible. No es de extrañar que haya muchas aplicaciones para ello, por ejemplo, en transistores muy rápidos y pantallas flexibles. Un equipo encabezado por científicos del Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia en Hamburgo ha demostrado que también cumple una condición importante para su uso en láseres novedosos para pulsos de terahercios con longitudes de onda largas. La emisión directa de radiación de terahercios sería útil en ciencia, pero aún no se ha desarrollado ningún láser que pueda proporcionarlo. Los estudios teóricos han sugerido previamente que podría ser posible con el grafeno. Sin embargo, había dudas fundadas, que ahora el equipo de Hamburgo ha despejado. Al mismo tiempo, Sin embargo, los científicos descubrieron que el ámbito de aplicación del grafeno tiene sus limitaciones:en otras mediciones, demostraron que el material no se puede utilizar para una recolección de luz eficiente en células solares.

Un láser amplifica la luz al generar muchas copias idénticas de fotones:clonando los fotones, como si fuera. El proceso para hacerlo se denomina emisión estimulada de radiación. Un fotón ya producido por el láser hace que los electrones del material láser (un gas o un sólido) salten de un estado de mayor energía a un estado de menor energía, emitiendo un segundo fotón completamente idéntico. Este nuevo fotón puede, Sucesivamente, generar fotones más idénticos. El resultado es una avalancha virtual de fotones clonados. Una condición para este proceso es que haya más electrones en el estado de energía más alto que en el estado de energía más bajo. En principio, todos los semiconductores pueden cumplir este criterio.

El estado que se conoce como inversión de población fue producido y demostrado en grafeno por Isabella Gierz y sus colegas en el Instituto Max Planck para la Estructura y Dinámica de la Materia. junto con la Central Laser Facility en Harwell (Inglaterra) y el Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido en Stuttgart. El descubrimiento es sorprendente porque el grafeno carece de una propiedad semiconductora clásica, que durante mucho tiempo se consideró un requisito previo para la inversión de la población:lo que se denomina bandgap. La banda prohibida es una región de estados prohibidos de energía, que separa el estado fundamental de los electrones de un estado excitado con mayor energía. Sin exceso de energía, el estado excitado por encima de la banda prohibida estará casi vacío y el estado fundamental debajo de la banda prohibida estará casi completamente poblado. Se puede lograr una inversión de población agregando energía de excitación a los electrones para alterar su estado de energía al que está por encima de la banda prohibida. Así es como se produce el efecto de avalancha descrito anteriormente.

Hasta ahora, Los pulsos de terahercios solo se han generado a través de procesos ópticos no lineales ineficientes.

Sin embargo, la banda prohibida en el grafeno es infinitesimal. "Sin embargo, los electrones en el grafeno se comportan de manera similar a los de un semiconductor clásico ", Dice Isabella Gierz. Hasta cierto punto, El grafeno podría considerarse un semiconductor sin banda prohibida. Debido a la ausencia de una banda prohibida, la inversión de la población en el grafeno solo dura alrededor de 100 femtosegundos, menos de una billonésima de segundo. "Es por eso que el grafeno no se puede utilizar para láseres continuos, pero potencialmente para pulsos láser ultracortos ", Gierz explica.

Un láser de grafeno de este tipo sería particularmente útil para fines de investigación. Podría utilizarse para amplificar la luz láser con longitudes de onda muy largas; la denominada radiación de terahercios. Este tipo de luz láser podría emplearse en investigación básica para estudiar, por ejemplo, superconductores de alta temperatura. Hasta la fecha, La radiación de terahercios se ha producido utilizando comparativamente ineficaz, los denominados procesos ópticos no lineales. Además, el rango de longitud de onda disponible a menudo está limitado por el material no lineal utilizado. Los hallazgos recientes indican que el grafeno podría usarse para la amplificación de ancho de banda amplio de longitudes de onda arbitrariamente largas.

Sin embargo, El equipo con sede en Hamburgo también arruinó las esperanzas de algunos científicos de materiales, como resulta, El grafeno probablemente no sea adecuado para convertir la radiación solar en electricidad en las células solares. "Según nuestras medidas, un solo fotón en el grafeno no puede liberar varios electrones, como se esperaba anteriormente ", Dice Gierz. Este es un requisito previo para la conversión eficiente de radiación en electricidad.

El carburo de silicio se puede utilizar para producir grafeno para láseres

Los científicos de Hamburgo estudiaron el grafeno utilizando un método llamado espectroscopia de fotoemisión de resolución temporal. Esto implicó iluminar el material con pulsos de luz ultravioleta (UV) ultracortos. Como consecuencia, los electrones son expulsados ​​de la muestra y los físicos miden su energía y ángulo de salida. Los datos resultantes se utilizan para establecer la distribución de energía de los electrones en el material. La resolución del tiempo se logra retrasando el tiempo de llegada del pulso de la sonda UV con respecto a un pulso de excitación arbitrario.

En el presente experimento, los electrones del grafeno se excitaron con luz láser infrarroja. Luego, los científicos emplearon espectroscopía de fotoemisión para demostrar la ocurrencia de inversión de población. En una forma similar, establecieron que la multiplicación de portadores no se puede lograr mediante radiación.

El grafeno fue producido por los científicos a través de la descomposición térmica del carburo de silicio. Según Gierz, este procedimiento también se puede utilizar para hacer un láser de grafeno, ya que el carburo de silicio es transparente y no interferirá con la radiación de terahercios. Sin embargo, el físico admite que queda mucho trabajo de desarrollo para producir un láser de grafeno.