«Существует класс так называемых материалов Дирака, в которых электроны ведут себя так, как будто у них нет массы, подобно легким частицам, фотонам», – объясняет Алексей Кузьменко, научный сотрудник отдела квантовой физики материи. Научный факультет UNIGE, проводивший это исследование совместно с Евгенией Недолюк. Одним из таких материалов является графен, монослой атомов углерода, расположенных в сотовой структуре, аналог графита, используемого, в частности, для изготовления карандашей.
Взаимодействие между графеном и светом предполагает, что этот материал можно использовать для управления инфракрасными и терагерцовыми волнами. «Это был бы огромный шаг вперед для оптоэлектроники, безопасности, телекоммуникаций и медицинской диагностики», – отмечает исследователь из Женевы.
Подтверждение старой теории с помощью экспериментов
Теоретическое предсказание 2006 года гласило, что если материал Дирака поместить в магнитное поле, он вызовет очень сильный циклотронный резонанс. «Когда заряженная частица находится в магнитном поле, она движется по круговой орбите и поглощает электромагнитную энергию на орбитальной или циклотронной частоте, как, например, это происходит в Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе», – поясняет Алексей Кузьменко. "А когда частицы имеют заряд, но не имеют массы, как электроны в графене, поглощение света максимально!"
Чтобы продемонстрировать это максимальное поглощение, физикам нужен был очень чистый графен, чтобы электроны, путешествующие на большие расстояния, не рассеивались на примесях или дефектах кристаллов.
Но такой уровень чистоты и порядок кристаллической решетки очень трудно получить и достигаются только тогда, когда графен инкапсулируется в другой двумерный материал – нитрид бора.
Исследователи UNIGE объединились с группой из Манчестерского университета во главе с Андре Геймом – лауреатом Нобелевской премии по физике 2010 года за открытие графена – для разработки образцов чрезвычайно чистого графена. Эти образцы, которые были исключительно большими для этого типа графена, тем не менее были слишком малы для количественной оценки циклотронного резонанса с помощью хорошо зарекомендовавших себя методов. Вот почему женевские исследователи построили специальную экспериментальную установку для концентрации инфракрасного и терагерцового излучения на небольших образцах чистого графена в магнитном поле. «И результат эксперимента подтвердил теорию от 2006 года!"добавляет Алексей Кузьменко.
Настраиваемая поляризация
Результаты впервые продемонстрировали, что колоссальный магнитооптический эффект действительно возникает, если использовать слой чистого графена. «Максимально возможное магнитное поглощение инфракрасного света теперь достигается в моноатомном слое», – говорит Алексей Кузьменко.
Кроме того, физики обнаружили, что можно выбрать, какая круговая поляризация – левая или правая – должна поглощаться. «Природный или собственный графен электрически нейтрален и поглощает весь свет, независимо от его поляризации.
Но если мы введем электрически заряженные носители, положительные или отрицательные, мы сможем выбрать, какая поляризация будет поглощаться, и это работает как в инфракрасном, так и в терагерцовом диапазонах », – продолжает ученый. Эта способность играет решающую роль, особенно в аптеке, где определенные ключевые молекулы лекарства взаимодействуют со светом в зависимости от направления поляризации. Интересно, что этот контроль считается многообещающим для поиска жизни на экзопланетах, поскольку позволяет наблюдать признаки молекулярной хиральности, присущей биологической материи.
Наконец, физики обнаружили, что для наблюдения сильного эффекта в терагерцовом диапазоне достаточно приложить магнитные поля, которые можно было бы создать уже с помощью недорогого постоянного магнита .
Теперь, когда теория подтверждена, исследователи продолжат работу над магнитно регулируемыми источниками и детекторами терагерцового и инфракрасного света. Графен продолжает их удивлять