p O grafeno é considerado o pau para toda obra da ciência dos materiais:a estrutura bidimensional em forma de favo de mel feita de átomos de carbono é mais forte do que o aço e exibe mobilidades de portadores de carga extremamente altas. Também é transparente, leve e flexível. Não é à toa que há muitos aplicativos para ele - por exemplo, em transistores muito rápidos e visores flexíveis. Uma equipe liderada por cientistas do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria, em Hamburgo, demonstrou que também atende a uma condição importante para uso em novos lasers para pulsos de terahertz com comprimentos de onda longos. A emissão direta de radiação terahertz seria útil na ciência, mas ainda não foi desenvolvido nenhum laser que possa fornecê-lo. Estudos teóricos sugeriram anteriormente que isso poderia ser possível com o grafeno. Contudo, havia dúvidas bem fundamentadas - que a equipa de Hamburgo já dissipou. Ao mesmo tempo, os cientistas descobriram que o escopo de aplicação do grafeno tem suas limitações:em outras medições, eles mostraram que o material não pode ser usado para coleta eficiente de luz em células solares. p Um laser amplifica a luz, gerando muitas cópias idênticas de fótons - clonando os fótons, por assim dizer. O processo para fazer isso é chamado de emissão estimulada de radiação. Um fóton já produzido pelo laser faz com que os elétrons no material do laser (um gás ou sólido) saltem de um estado de energia mais alta para um estado de energia mais baixa, emitindo um segundo fóton completamente idêntico. Este novo fóton pode, por sua vez, gerar fótons mais idênticos. O resultado é uma avalanche virtual de fótons clonados. Uma condição para esse processo é que mais elétrons estejam no estado de energia superior do que no estado de energia inferior. Em princípio, cada semicondutor pode atender a esse critério.

p O estado conhecido como inversão populacional foi produzido e demonstrado em grafeno por Isabella Gierz e seus colegas do Instituto Max Planck para a Estrutura e Dinâmica da Matéria, junto com a Central Laser Facility em Harwell (Inglaterra) e o Max Planck Institute for Solid State Research em Stuttgart. A descoberta é surpreendente porque falta ao grafeno uma propriedade clássica de semicondutor, que por muito tempo foi considerado um pré-requisito para a inversão populacional:o chamado bandgap. O bandgap é uma região de estados proibidos de energia, que separa o estado fundamental dos elétrons de um estado excitado com maior energia. Sem excesso de energia, o estado excitado acima do bandgap será quase vazio e o estado fundamental abaixo do bandgap será quase completamente preenchido. Uma inversão populacional pode ser alcançada adicionando energia de excitação aos elétrons para alterar seu estado de energia para aquele acima do bandgap. É assim que o efeito avalanche descrito acima é produzido.

p Até agora, pulsos terahertz foram gerados apenas por meio de processos ópticos não lineares ineficientes

p Contudo, a banda proibida no grafeno é infinitesimal. "No entanto, os elétrons no grafeno se comportam de forma semelhante aos de um semicondutor clássico ", Isabella Gierz diz. Até certo ponto, o grafeno pode ser considerado um semicondutor de bandgap zero. Por causa da ausência de bandgap, a inversão da população no grafeno dura apenas cerca de 100 femtossegundos, menos de um trilionésimo de segundo. "É por isso que o grafeno não pode ser usado para lasers contínuos, mas potencialmente para pulsos de laser ultracurtos ", Gierz explica.

p Esse laser de grafeno seria particularmente útil para fins de pesquisa. Ele poderia ser usado para amplificar a luz do laser com comprimentos de onda muito longos; radiação terahertz. Este tipo de luz laser pode ser empregado na pesquisa básica para estudar, por exemplo, supercondutores de alta temperatura. A data, radiação terahertz foi produzida usando comparativamente ineficiente, os chamados processos ópticos não lineares. Além disso, a faixa de comprimento de onda disponível é frequentemente limitada pelo material não linear usado. As descobertas recentes indicam que o grafeno pode ser usado para amplificação de largura de banda larga de comprimentos de onda arbitrariamente longos.

p Contudo, a equipe sediada em Hamburgo também frustrou as esperanças de alguns cientistas de materiais - como se constatou, o grafeno provavelmente não é adequado para converter a radiação solar em eletricidade em células solares. "De acordo com nossas medições, um único fóton no grafeno não pode liberar vários elétrons, como esperado anteriormente ", Gierz diz. Este é um pré-requisito para a conversão eficiente de radiação em eletricidade.

p O carboneto de silício pode ser usado para produzir grafeno para lasers

p Os cientistas em Hamburgo estudaram o grafeno usando um método chamado espectroscopia de fotoemissão resolvida no tempo. Isso envolveu iluminar o material com pulsos de luz ultravioleta (UV) ultracurtos. Como consequência, os elétrons são forçados para fora da amostra e os físicos medem sua energia e ângulo de saída. Os dados resultantes são usados ​​para estabelecer a distribuição de energia dos elétrons no material. A resolução de tempo é obtida atrasando o tempo de chegada do pulso da sonda de UV em relação a um pulso de excitação arbitrário.

p No presente experimento, os elétrons no grafeno foram excitados usando luz laser infravermelha. Em seguida, os cientistas empregaram a espectroscopia de fotoemissão para demonstrar a ocorrência de inversão populacional. De maneira semelhante, eles estabeleceram que a multiplicação de portadores não poderia ser alcançada por radiação.

p O grafeno foi produzido pelos cientistas por meio da decomposição térmica do carboneto de silício. De acordo com Gierz, este procedimento também pode ser usado para fazer um laser de grafeno, já que o carboneto de silício é transparente e não interfere na radiação terahertz. Contudo, o físico admite que ainda falta muito trabalho de desenvolvimento para produzir um laser de grafeno.