Cientistas do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), trabalhando com colegas dos EUA e da Alemanha, desenvolveram um novo detector óptico de grafeno que reage muito rapidamente à luz incidente de todos os comprimentos de onda diferentes e funciona até mesmo à temperatura ambiente. É a primeira vez que um único detector consegue monitorar a faixa espectral desde a luz visível até a radiação infravermelha e até a radiação terahertz. Os cientistas do HZDR já estão usando o novo detector de grafeno para a sincronização exata de sistemas a laser.

Um minúsculo floco de grafeno em carboneto de silício e uma antena de aparência futurística, e aí está - o novo detector de grafeno. Como nenhum outro sistema de detector único que existiu antes, esta construção comparativamente simples e barata pode cobrir a enorme faixa espectral da luz visível até a radiação terahertz. "Em contraste com outros semicondutores como silício ou arseneto de gálio, o grafeno pode captar luz com uma gama muito grande de energias de fótons e convertê-la em sinais elétricos. Só precisávamos de uma antena de banda larga e do substrato certo para criar as condições ideais, "explicou o Dr. Stephan Winnerl, físico do Instituto de Física de Feixes de Íons e Pesquisa de Materiais do HZDR.

Em 2013, Martin Mittendorff, que era aluno de doutorado no HZDR na época, havia desenvolvido o precursor do detector de grafeno. Em sua posição atual como pós-doutorado na Universidade de Maryland, ele agora o aperfeiçoou com seus colegas de Dresden e com cientistas de Marburg, Regensburg e Darmstadt. Como funciona:o floco de grafeno e o conjunto da antena absorvem os raios, transferindo assim a energia dos fótons para os elétrons do grafeno. Esses "elétrons quentes" aumentam a resistência elétrica do detector e geram sinais elétricos rápidos. O detector pode registrar a luz incidente em apenas 40 picossegundos - estes são bilionésimos de segundo.

Ampla faixa espectral alcançada por meio de substrato de carboneto de silício

A escolha do substrato agora provou ser um passo fundamental para melhorar a pequena armadilha de luz. "Substratos semicondutores usados ​​no passado sempre absorveram alguns comprimentos de onda, mas o carboneto de silício permanece passivo na faixa espectral, "explicou Stephan Winnerl. Há também uma antena que atua como um funil e captura a radiação infravermelha e terahertz de ondas longas. Os cientistas, portanto, conseguiram aumentar a faixa espectral por um fator de 90 em comparação com o modelo anterior, tornando o menor comprimento de onda detectável 1000 vezes menor que o mais longo. A título de comparação, luz vermelha, que tem o maior comprimento de onda visível ao olho humano, tem apenas o dobro do comprimento da luz violeta, que tem o comprimento de onda mais curto do espectro visível.

Este detector óptico universal já está sendo usado no HZDR para a sincronização exata dos dois lasers de elétrons livres no ELBE Center for High-Power Radiation Sources com outros lasers. Este alinhamento é particularmente importante para experimentos de "sonda de bomba", como são chamados, onde o pesquisador pega um laser para a excitação de um material ("bomba") e então usa um segundo laser com comprimento de onda diferente para a medição ("sonda"). Os pulsos de laser devem ser sincronizados exatamente para tais experimentos. Portanto, os cientistas estão usando o detector de grafeno como um cronômetro. Diz a eles quando os pulsos de laser alcançam seu objetivo, e a grande largura de banda ajuda a evitar que uma mudança de detector seja uma fonte potencial de erro. Outra vantagem é que todas as medições podem ocorrer em temperatura ambiente, evitando a necessidade de processos de resfriamento de nitrogênio ou hélio caros e demorados com outros detectores.