p O grafeno tem causado muita empolgação entre os cientistas desde que o material de carbono extremamente forte e fino foi descoberto em 2004. Com apenas um átomo de espessura, o material em forma de favo de mel tem várias propriedades notáveis ​​que combinam resistência mecânica com condutividade elétrica e térmica superior. p Agora, um grupo de cientistas da Iowa State University, liderado pelo físico Jigang Wang, mostrou que o grafeno tem duas outras propriedades que podem ter aplicações em dispositivos de telecomunicações de alta velocidade e tecnologia a laser - inversão de elétrons de população e ganho óptico de banda larga.

p Wang é professor assistente do Departamento de Física e Astronomia do College of Liberal Arts and Sciences da Iowa State University. Ele também é um cientista associado do Laboratório Ames do Departamento de Energia.

p A equipe de Wang emitiu pulsos de laser extremamente curtos no grafeno. Os pesquisadores descobriram imediatamente um novo estado de grafeno fotoexcitado caracterizado por uma inversão de elétrons na população de banda larga. Em condições normais, a maioria dos elétrons ocuparia estados de baixa energia e apenas alguns ocupariam estados de alta energia. Em estados de população invertida, esta situação é inversa:mais elétrons povoam mais alto, ao invés de inferior, estados de energia. Essas inversões populacionais são muito raras na natureza e podem ter propriedades altamente incomuns. No grafeno, o novo estado produz um ganho óptico do infravermelho para o visível.

p Dito de forma simples, ganho óptico significa que mais luz visível sai do que entra. Isso só pode acontecer quando o meio de ganho é bombeado externamente e então estimulado com luz (emissão estimulada). A descoberta de Wang pode abrir portas para amplificadores eficientes na indústria de telecomunicações e dispositivos optoeletrônicos extremamente rápidos.

p Grafeno como meio de ganho para amplificação de luz

p "É muito emocionante, "Disse Wang." Isso abre a possibilidade de usar o grafeno como meio de ganho para amplificação de luz. Ele poderia ser usado na fabricação de amplificadores ópticos de banda larga ou moduladores de alta velocidade para telecomunicações. Ele ainda fornece implicações para o desenvolvimento de lasers baseados em grafeno. "

p A equipe de Wang revelou suas descobertas na revista Physical Review Letters em 16 de abril. Além de Wang, os outros autores do artigo são Tianq Li, Liang Luo e Junhua Zhang, Alunos de graduação em física do estado de Iowa; Miron Hupalo, Cientista do Laboratório Ames; e Michael Tringides e Jörg Schmalian, Professores de física do estado de Iowa e cientistas do Laboratório Ames.

p Wang é membro do programa de Física da Matéria Condensada do Iowa State e do Laboratório Ames. Ele e sua equipe conduzem experimentos ópticos usando técnicas de espectroscopia a laser, do espectro visível ao infravermelho médio e infravermelho distante. Eles usam pulsos de laser ultracurtos até 10 quatrilionésimos de segundo para estudar o mundo da nanociência e materiais de elétrons correlacionados.

p Em 2004, os pesquisadores do Reino Unido Andre Geim e Konstantin Novoselov descobriram o grafeno, o que os levou a ganhar o Prêmio Nobel de Física de 2010. O grafeno é um material bidimensional (altura e largura) com uma lista crescente de propriedades únicas conhecidas. É uma única camada de carbono com apenas um átomo de espessura. Os átomos de carbono estão conectados em uma rede hexagonal que se parece com um favo de mel. Apesar da falta de volume, o grafeno é mais forte que o aço, conduz eletricidade tão bem quanto cobre e conduz o calor ainda melhor. Também é flexível e quase transparente.

p Existia uma lacuna de compreensão, Wang explicou, entre as duas comunidades científicas que estudaram as propriedades eletrônicas e fotônicas do grafeno. Ele acreditava que seu grupo poderia ajudar a preencher a lacuna, elaborando as propriedades ópticas não lineares do grafeno e entendendo o estado eletrônico de não equilíbrio. Wang explicou que as propriedades ópticas lineares apenas transmitem luz - um sinal de luz entra em um material e outro sai. "A propriedade não linear pode alterar e modular o sinal, não apenas transmiti-lo, produzindo funcionalidade para novos aplicativos de dispositivos. "

p Grafeno em um estado altamente não linear

p Wang disse que outros cientistas estudaram as propriedades ópticas do grafeno, mas principalmente no regime linear. Sua equipe levantou a hipótese de que eles poderiam gerar um novo "estado muito não convencional" do grafeno, resultando em inversão populacional e ganho óptico.

p "Fomos o primeiro grupo a abrir novos caminhos, para começar a olhar para ele em um estado altamente excitado consistindo de elétrons extremamente densos - um estado altamente não linear. Em tal estado, o grafeno tem propriedades únicas. "

p O grupo de Wang começou com monocamadas de grafeno de alta qualidade cultivadas por Hupalo e Tringides no Laboratório Ames. Os pesquisadores usaram um laser ultrarrápido para "excitar" os elétrons do material com pulsos curtos de luz de apenas 35 femtossegundos (35 quatrilionésimos de segundo). Por meio de medições dos estados eletrônicos fotoinduzidos, A equipe de Wang descobriu que a condutividade óptica (ou absorção) das camadas de grafeno mudou de positiva para negativa - resultando no ganho óptico - quando a energia do pulso da bomba foi aumentada acima de um limite.

p Os resultados indicaram que o estado invertido da população no grafeno fotoexcitado emitiu mais luz do que absorveu. "A absorção foi negativa. Isso significa que a inversão da população é de fato estabelecida no grafeno excitado e mais luz saiu do meio invertido do que a que entrou, que é o ganho óptico, "Disse Wang." A luz emitida mostra um ganho de cerca de um por cento para uma camada de apenas um átomo de espessura, uma figura na mesma ordem do que é visto em amplificadores ópticos de semicondutores convencionais centenas de vezes mais grossos. "

p A chave para os experimentos, claro, estava criando um estado altamente não linear, algo "que normalmente não existe em equilíbrio térmico, - disse Wang. - Você não pode simplesmente colocar o grafeno sob a luz e estudá-lo. Você tem que realmente excitar os elétrons com o pulso de laser ultrarrápido e ter o conhecimento dos comportamentos de limiar para chegar a tal estado. "

p Wang disse que há muito mais engenharia e perfeição de materiais pela frente antes que todo o potencial do grafeno para lasers e telecomunicações ópticas seja realizado. "A pesquisa mostra claramente, no entanto, que iluminar grafenos pode produzir emissões mais brilhantes, bem como um futuro brilhante, " ele disse.