Nanotecnologia

Grafeno emite pulsos de laser terahertz

Grafeno emite pulsos de laser terahertz
A emissão direta de radiação terahertz terá amplo uso na ciência e na tecnologia. [Imagem: Jörg Harms]

Radiação terahertz

Se o grafeno não tivesse nenhuma outra utilidade e nenhuma outra propriedade interessante, esta seria suficiente para colocá-lo em lugar de destaque.

O material é capaz de emitir pulsos de raios laser com comprimentos de onda muito longos, na frequência dos terahertz.

A emissão direta de radiação terahertz terá amplo uso na ciência e na tecnologia, mas até hoje ninguém conseguiu construir um laser capaz de fazer isso.

Isabella Gierz e seus colegas do Instituto Max Planck, na Alemanha, demonstraram que isso pode ser feito com o grafeno.

Funcionamento do laser

Um laser amplifica a luz gerando várias cópias idênticas dos fótons - clonando os fótons, por assim dizer. O processo de clonagem dos fótons é chamado de emissão estimulada de radiação - LASER é uma sigla para o termo em inglês para Amplificação da Luz por Emissão Estimulada de Radiação.

Um fóton faz com que elétrons no material do laser (um gás ou um sólido) passe de um estado de energia mais alto para um estado de energia mais baixo, emitindo um segundo fóton completamente idêntico. Este novo fóton pode, por sua vez, gerar fótons idênticos - o resultado é uma avalanche de fótons clonados.

Uma condição para isso é ter mais elétrons no estado de energia mais elevado do que no estado de energia mais baixo - em princípio, todos os semicondutores podem satisfazer este critério.

Isabella Gierz descobriu que o mesmo é verdade para o grafeno.

Semicondutor sem bandgap

A descoberta é surpreendente porque o grafeno não tem uma propriedade semicondutora clássica, chamada bandgap.

A bandgap é uma região de estados de energia "proibidos", que separam o estado fundamental dos elétrons de um estado excitado, de maior energia. Sem excesso de energia, o estado excitado acima da bandgap será quase vazio, e o estado fundamental abaixo da bandgap quase completamente preenchido.

O efeito avalanche necessário para fazer o laser é conseguido pela chamada "inversão da população", adicionando energia para que os elétrons saltem por essa barreira.

No entanto, a banda proibida no grafeno é infinitesimal. "No entanto, os elétrons no grafeno se comportam de forma semelhante às de um semicondutor clássico," ressalta Gierz.

Embora pareça um contrassenso, isso significa que o grafeno poderia ser descrito como um "semicondutor de bandgap zero".

Devido à ausência de bandgap, a inversão de população no grafeno só dura cerca de 100 femtossegundos - menos de um trilionésimo de segundo.

E é justamente aí que está a vantagem.

"É por isso que o grafeno não pode ser usado para lasers contínuos, mas potencialmente pode gerar pulsos ultracurtos de laser," esclarece Gierz.

O grafeno pode então ser utilizado para amplificar a luz laser com comprimentos de onda muito longos - a radiação terahertz.

Largura de banda

Até hoje, a radiação terahertz tem sido produzida usando os chamados processos ópticos não lineares, relativamente ineficientes.

Além disso, a gama de comprimentos de onda disponível é muitas vezes limitada pelo material não-linear utilizado.

O grafeno, por sua vez, pode ser usado para a amplificação de banda larga de comprimentos de onda arbitrariamente longos.

Bibliografia:

Snapshots of non-equilibrium Dirac carrier distributions in graphene
Isabella Gierz, Jesse C. Petersen, Matteo Mitrano, Cephise Cacho, Edmond Turcu, Emma Springate, Alexander Stöhr, Axel Köhler, Ulrich Starke, Andrea Cavalleri
Nature Materials
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nmat3757




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