Grafeno responde fortemente a luz em freqüências terahertz e isso pode ser afinadas para fazer dispositivos práticos. Essa é a conclusão de pesquisadores em que os EUA acreditam que suas descobertas podem ajudar a levar ao uso de grafeno em encontrar uma vasta gama de aplicações que incluem imagens médicas e de segurança.
Radiação terahertz fica entre o microondas e infravermelho médio regiões do espectro eletromagnético. Ele passa através de roupas e embalagens, mas é fortemente absorvida por metais e outras substâncias inorgânicas, tornando-se de grande interesse para os scanners de segurança desenvolvimento do aeroporto. No entanto, a radiação tem se mostrado extremamente difícil criar, manipular e detectar.
Agora, Feng Wang e seus colegas no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e da Universidade da Califórnia em Berkeley dizem que fizeram o "início de um conjunto de ferramentas" para trabalhar com a radiação terahertz. A tecnologia é baseada em grafeno, que é uma folha de carbono com apenas um átomo de espessura. O grafeno é organizado em matrizes de fitas extremamente estreito, chamado nanofitas. A resposta terahertz da matriz pode ser ajustada pela variação da largura das fitas eo número de portadores de carga (elétrons e buracos) nas estruturas. Na verdade, variando estes dois parâmetros permite que os pesquisadores para controlar as oscilações coletivas dos elétrons (plasmons) nas fitas de grafeno, e são esses plasmons que o casal fortemente para a luz terahertz.
Baixa freqüência plasmons
Plasmons são mais familiares para nós na freqüência alta, parte visível do espectro eletromagnético e, nomeadamente, em 3D nanoestruturas metálicas. Um exemplo bem conhecido de onde pode ser visto é em vitrais. Aqui, as cores surgem a partir de coleções de oscilação dos elétrons na superfície de nanopartículas de ouro, cobre e outros metais contidos no vidro. No entanto, o grafeno é apenas um átomo de espessura e seus elétrons se movem apenas em duas dimensões, explica Wang, assim plasmons neste material ocorrem em freqüências muito mais baixas.
O que é mais, a radiação terahertz fica na faixa de comprimento de onda entre cerca de 1 a 0,03 milímetros, mas a largura das fitas de grafeno é apenas 1-4 mM. "Um material que consiste de estruturas com dimensões muito menores do que o comprimento de onda relevantes, e que apresenta propriedades óticas distintas a partir do material a granel, é chamado de um metamaterial", disse Wang em um comunicado de imprensa LBNL. "Então não temos só fez os primeiros estudos de luz e de acoplamento plasmon em grafeno, nós também criamos um protótipo para o futuro baseados em grafeno metamateriais na faixa dos terahertz."
Excitações ressonantes
Assim, como pode variar a largura das nanofitas de grafeno torná-los absorver diferentes freqüências de luz? Como mencionado, um plasmon descreve as oscilações coletivas dos elétrons muitos, mas sua freqüência depende de quão rapidamente essas oscilações de viagem entre as bordas de uma fita. Quando a luz da mesma freqüência das oscilações é aplicada, uma "excitação ressonante" resultados, algo que produz um aumento na força das oscilações e da quantidade de luz absorvida naquela freqüência. Porque a freqüência das oscilações depende da largura da fita, variando a sua largura, assim, permite-lhe absorver diferentes freqüências de luz.
O número de portadores de carga na fita também pode afetar a resistência da ligação entre a luz e plasmons. Uma vantagem do grafeno é que a concentração de portadores de carga pode ser facilmente aumentado ou diminuído no material, aplicando um forte campo elétrico. Essa técnica é chamada de doping eletrostática. Os pesquisadores também descobriram que a luz brilhou perpendicularmente sobre as fitas é muito melhor absorvido na freqüência de ressonância plasmon de luz brilhou em outros ângulos.
Medições de temperatura ambiente
Wang e colegas de trabalho obtido os seus resultados por brilhando terahertz luz (a partir da linha de luz na Fonte Berkeley Lab Advanced Light) para as matrizes de fita de grafeno. Eles mediram a luz transmitida usando espectrômetro infravermelho a linha de luz de.O resultado mostra que o acoplamento entre a luz e plasmons em grafeno é uma ordem de magnitude mais forte do que em outros sistemas 2D, como semicondutores. A absorção de luz no grafeno também pode ser medido à temperatura ambiente, ao contrário desses outros materiais, que precisam de ser perto do zero absoluto em experimentos.
"A equipe de Wang relata um interessante estudo de plasmons em fitas de grafeno e mostra como ajustar as suas propriedades, eo trabalho representa um passo adiante na compreensão de luz elétrons interações neste material", comentou Andrea Ferrari da Universidade de Cambridge, que não esteve envolvido em o trabalho."A faixa dos terahertz abrangidos por estas experiências poderiam, eventualmente, permitir que produtos como sensores terahertz portátil para detecção remota de agentes perigosos, monitoramento ambiental ou comunicações de alta velocidade sem fio. No entanto, para alcançar esses objetivos exigirá muito mais esforço por parte do grafeno e comunidades plasmonics ".
Wang disse que sua equipe, por sua vez, está agora olhando para projetar diferentes estruturas metamaterial de grafeno e examinando suas propriedades.
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