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Original publication

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Isabella Gierz, Jesse C. Petersen, Matteo Mitrano, Cephise Cacho, Edmond Turcu, Emma Springate, Alexander Stöhr, Axel Köhler, Ulrich Starke, Andrea Cavalleri
Nature Materials, advance online 06. Oct. 2013

 

Graphene can emit laser flashes

Individual layers of carbon atoms are suitable as active material for terahertz lasers, as they permit population inversion

October 08, 2013

Graphene is considered the jack-of-all-trades of materials science: The two-dimensional honeycomb-shaped lattice made up of carbon atoms is stronger than steel and exhibits extremely high charge carrier mobilities. It is also transparent, lightweight and flexible. No wonder that there are plenty of applications for it – for example, in very fast transistors and flexible displays. A team headed by scientists from the Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter in Hamburg have demonstrated that it also meets an important condition for use in novel lasers for terahertz pulses with long wavelengths. The direct emission of terahertz radiation would be useful in science, but no laser has yet been developed which can provide it. Theoretical studies have previously suggested that it could be possible with graphene. However, there were well-founded doubts - which the team in Hamburg has now dispelled. At the same time, the scientists discovered that the scope of application for graphene has its limitations though: in further measurements, they showed that the material cannot be used for efficient light harvesting in solar cells.
Emitting flashes of light: Graphene, a honeycomb lattice made of carbon atoms, is a suitable material for lasers emitting ultrashort terahertz pulses. Zoom Image
Emitting flashes of light: Graphene, a honeycomb lattice made of carbon atoms, is a suitable material for lasers emitting ultrashort terahertz pulses.[less]

 Nur ausgesuchte Materialien können Laserlicht: Ein Laser verstärkt Licht, indem er sehr viele identische Kopien von Lichtteilchen (Photonen) erzeugt; die Photonen werden sozusagen geklont. Dies wird durch einen Vorgang namens Stimulierte Emission erreicht. Ein vom Laser bereits erzeugtes Photon motiviert Elektronen im Lasermaterial, das kann ein Gas oder ein Festkörper sein, von einem energetisch höheren zu einem energetisch niedrigeren Zustand zu springen und dabei ein zweites völlig identisches Photon zu emittieren. Das zweite Photon kann wiederum identische Lichtteilchen erzeugen. So ergibt sich eine Lawine „geklonter“ Photonen. Voraussetzung dafür ist, dass sich mehr Elektronen im höheren Energiezustand befinden als im niedrigeren. Nicht jedes Material kann die Bedingung erfüllen, aber Graphen.

Den Besetzungsinversion genannten Zustand haben Gierz und ihre Kollegen des Max-Planck-Instituts für Struktur und Dynamik der Materie in Zusammenarbeit mit der Central Laser Facility in Harwell (England) und dem Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart im Graphen erzeugt und nachgewiesen. Dies ist insofern überraschend, als Graphen eine wichtige Eigenschaft eines klassischen Halbleiters, die lange als Voraussetzung für eine Besetzungsinversion galt, nicht mitbringt: eine sogenannte Bandlücke. Das ist ein verbotener Energiebereich, der den Grundzustand der Elektronen von einem angeregten Zustand mit höherer Energie trennt. Ohne Energiezufuhr ist der angeregte Zustand oberhalb der Bandlücke nahezu leer und der Grundzustand unterhalb der Bandlücke fast vollständig besetzt. Eine Besetzungsinversion kann erreicht werden, indem man Elektronen durch Energiezufuhr in den Energiebereich oberhalb der Bandlücke anhebt. So kann der oben beschriebene Lawineneffekt hervorgerufen werden.

Ein Graphen-Laser könnte bisher nur indirekt zugängliche Terahertz-Pulse abgeben

Im Graphen ist der verbotene Energiebereich allerdings verschwindend klein. „Trotzdem verhalten sich die Elektronen im Graphen ähnlich wie in einem klassischen Halbleiter“, sagt Isabella Gierz. Graphen sei gewissermaßen ein Halbleiter, dessen Bandlücke Null betrage. Da ihm eine echte Bandlücke fehlt, bleibt die Besetzungsinversion im Graphen nur für etwa 100 Femtosekunden, also weniger als eine Billionstel Sekunde, aufrecht erhalten. „Daher lässt sich Graphen nicht für kontinuierlich strahlende Laser nutzen, wohl aber für ultrakurze Laserpulse“, erklärt Gierz.

Ein solcher Graphen-Laser wäre vor allem für die Forschung interessant. Denn er würde Laserlicht mit besonders langen Wellenlängen verstärken, sogenannte Terahertz-Strahlung. Solches Laserlicht könnte in der Grundlagenforschung etwa dazu dienen, Hochtemperatur-Supraleiter zu erforschen. Bislang wird Terahertz-Strahlung durch vergleichsweise ineffiziente, sogenannte nichtlineare, optische Prozesse erzeugt. Außerdem wird der zugängliche Wellenlängenbereich durch das verwendete nichtlineare Material häufig stark eingeschränkt. Mit Graphen, das zeigen die jetzigen Ergebnisse, wäre eine breitbandige Verstärkung beliebig großer Wellenlängen möglich.

In einer anderen Hinsicht haben die Hamburger Forscher jedoch den Hoffnungen, die Materialwissenschaftler in Graphen setzten, einen Dämpfer verpasst. Graphen eignet sich nämlich offenbar nicht, um in Solarzellen Strom aus Licht zu erzeugen. „Unsere Messungen haben gezeigt, dass ein einzelnes Photon im Graphen nicht wie erwartet mehrere Elektronen freisetzen kann“, sagt Gierz. Dies wäre eine Voraussetzung für eine effiziente Energieumwandlung von Licht zu Strom.

Aus Siliziumcarbid lässt sich Graphen auch für Laser herstellen

Die Hamburger Forscher haben das Graphen mit einer Methode namens zeitaufgelöste Photoelektronenspektroskopie untersucht. Dabei strahlen sie ultraviolettes Licht auf die Probe ein. Dieses energiereiche Licht schlägt Elektronen aus der Probe heraus, deren Energie und Austrittswinkel die Physiker messen. Aus den Daten leiten sie die Energieverteilung der Elektronen im Material ab. Auch wie sich die Energieverteilung zeitlich ändert, finden sie auf diese Weise heraus.

Die Forscher regten die Elektronen im Graphen zunächst mit Laserlicht an und zeigten mit der Photoelektronenspektroskopie dann, dass Besetzungsinversion vorliegt. Auf ähnliche Weise stellten sie fest, dass sich die Ladungsträger nicht mit eingestrahltem Licht vermehren lassen.

Das Graphen stellten die Wissenschaftler durch thermische Zersetzung von Siliziumcarbid her. Dieses Verfahren eigne sich auch für die Herstellung eines Graphen-Lasers, betont Gierz. Denn für Terahertz-Strahlung sei die Siliziumcarbid-Unterlage transparent und störe nicht. Allerdings müsse für einen Graphen-Laser noch viel Entwicklungsarbeit geleistet werden, räumt die Physikerin ein.

CM (MPG)

 
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