Các nhà vật lí ở Mĩ vừa phát hiện ra một tính chất hữu ích khác nữa của chất liệu thần kì graphene – nó có thể hoạt động giống hệt như một laser khi bị kích thích bởi những xung ánh sáng femto giây rất ngắn. Đội khoa học đã chứng minh chất liệu này có hai tính chất công nghệ quan trọng – sự nghịch đảo mật độ electron và sự khuếch đại quang học. Các kết quả cho thấy có thể dùng graphene để chế tạo nhiều dụng cụ quang điện tử đa dạng, như các bộ khuếch đại quang học băng rộng, các bộ điều biến tốc độ cao, bộ hấp thụ dành cho viễn thông và những laser cực nhanh.
Graphene là một tấm nguyên tử carbon sắp xếp thành một mạng lưới hình tổ ong chỉ dày một nguyên tử. Kể từ khi nó được khám phá ra vào năm 2004, chất liệu này đã liên tục khiến các nhà khoa học bất ngờ trước danh sách đang mở rộng dần của những tính chất cơ điện độc nhất vô nhị của nó. Graphene có thể tìm thấy công dụng trong một số ứng dụng công nghệ - thậm chí nó còn thay thế silicon là chất liệu được chọn của ngành công nghiệp điện tử trong tương lai nhờ thực tế là các electron có thể lao vù vù qua graphene ở những tốc độ cực cao, hành xử giống như những hạt “Dirac” không có khối lượng nghỉ.
Jigang Wang đứng trước thiết bị dùng trong các thí nghiệm. (Ảnh: Ames Lab)
Lí tưởng cho quang lượng tử học?
Graphene còn có thể là ứng cử viên lí tưởng cho các ứng dụng quang lượng tử học – nhất là trong truyền thông quang học, nơi tốc độ là cái quan trọng nhất. Ví dụ, nó có một “hiệu suất lượng tử nội” lí tưởng vì hầy như mỗi photon bị graphene hấp thụ đều tạo ra một cặp electron-lỗ trống, trên nguyên tắc, có thể biến đổi thành dòng điện. Nhờ các electron Dirac của nó, graphene còn có thể hấp thụ ánh sáng thuộc những màu sắc khác nhau và phản ứng cực kì nhanh với ánh sáng, cho thấy nó còn có thể dùng để chế tạo những dụng cụ nhanh hơn nhiều so với bất kì dụng cụ viễn thông quang học nào hiện nay.
Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng họ có chế tạo ra những dụng cụ cơ bản, ví dụ như pin mặt trời, máy phát ánh sáng, màn hình cảm ứng và máy dò quang từ graphene. Tuy nhiên, một số nghiên cứu đã khảo sát cái xảy ra khi graphene bị kích thích bằng những xung ánh sáng femto giây (fs) tạo ra cái gl những trạng thái tích điện không cân bằng – đặc biệt là trạng thái gồm những electron Dirac cực kì đông đúc. Những chất liệu có chứa những trạng thái như thế có những tính chất quang học phi tuyến quan trọng trong việc chế tạo những dụng cụ quang thực tế, ví dụ như các bộ điều biến cực nhanh, bộ khuếch đại và bộ biến đổi bước sóng.
Nghịch đảo và khuếch đại
Trong các thí nghiệm của họ, Jigang Wang cùng các đồng sự tại Phòng thí nghiệm Ames và trường Đại học Iowa đã kích thích những lớp đơn graphene mọc ghép, chất lượng cao bằng những xung laser bơm chỉ kéo dài 35 fs và năng lượng photon vào khoảng 1,55 eV. Sau đó, họ đo xem có bao nhiêu ánh sáng bị mẫu chất phản xạ lại. Vì graphene chỉ dày một nguyên tử và có dải khe điện tử zero, nên phép đo này cung cấp thông tin về lượng ánh sáng bị mẫu chất hấp thụ. Hóa ra phép đo này phụ thuộc vào sự dẫn quang của graphene.
Các nhà nghiên cứu tìm thấy độ dẫn quang biến đổi từ dương sang âm khi cường độ của các xung bơm tăng lên. “Điều này có nghĩa là có nhiều ánh sáng đi ra khỏi chất liệu hơn là ánh sáng đi vào, cái báo hiệu sự khuếch đại quang học,” Wang nói.
Đội khoa học đã chứng minh rằng các xung laser bơm cường độ mạnh từ bên ngoài làm kích thích các electron trong graphene sao cho có nhiều hạt mang điện này trong “hình nón Dirac” phía trên – dải dẫn của chất liệu – hơn số hạt trong hình nón phía dưới. Một khi xảy ra sự nghịch đảo mật độ như thế, một photon tới khi đó làm cảm ứng những trạng thái kích thích này phát ra ánh sáng hồng ngoại trong một đợt thác ánh sáng kết hợp. “Ánh sáng kết hợp đó cho thấy độ khuếch đại vào cỡ 1%, một giá trị cao hơn nhiều so với độ khuếch đại nhìn thấy ở những máy khuếch đại quang học bán dẫn thông thường – một kết quả bất ngờ vì graphene chỉ dày có một nguyên tử thôi,” Wang nói.
Một ngưỡng năng lượng rộng
Đội khoa học tìm thấy rằng sự khuếch đại quang học này có thể quan sát trên một ngưỡng năng lượng rộng – lên tới hàng trăm milielectronvolt dưới mức năng lượng photon bơm. Một sự khuếch đại quang học rộng như thế có lẽ là độc nhất vô nhị ở graphene và liên quan đến thực tế là các electron bị quang kích thích trong chất liệu tán xạ cực nhanh giữa nội bộ của chúng. Ngoài ra, một xung cực ngắn chỉ kéo dài 35 fs là đủ để tạo ra sự khuếch đại băng rộng này – cái chưa từng được nhìn thấy trước đây ở bất kì chất liệu nào.
Sự nghịch đảo mật độ và sự khuếch đại quang thu được trong phần hồng ngoại của phổ điện từ xác nhận tiềm năng của graphene trong những ứng dụng như máy khuếch đại quang băng rộng, laser và trong lĩnh vực viễn thông. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều cái cần làm trước khi điều này xảy ra. Wang hiện đang khảo sát cách mô tả đặc trưng hơn nữa các trạng thái graphene bị quang kích thích trong những vùng phổ hồng ngoại gần đến hồng ngoại trung và hồng ngoại xa. “Chúng tôi cũng đang nghiên cứu tác động của những cấu hình mẫu và phương pháp nuôi cấy khác nhau,” Wang nói.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Phys. Rev. Lett. 108 167401.
123physics – thuvienvatly.com
Theo physicsworld.com
