Het dunste, sterkste en meest geleidende materiaal ter wereld – grafeen – slaat weer toe met een nieuwe eigenschap. We wisten al dat het materiaal zich kan gedragen als een ‘spons’ om een breed scala van kleuren of licht te absorberen, wel nu kan het hexagonale rooster van koolstofatomen ook dienen om licht af te vuren.
In 2009 liet Andrea Ferrari – een fysicus aan de universiteit van Cambridge – weten dat grafeen’s hexagonale rooster van koolstofatomen licht kan absorberen. Samen met Roy Taylor, een natuurkundige aan het Imperial College in Londen wist Ferrari nu een apparaat te ontwikkelen dat in staat is het licht te draaien en ultrakorte laserpulsen weer te schieten naar onze wereld, in elke gewenste kleur.
De speciale structuur van de energieniveaus van de elektronen ligt aan de basis van het bijzondere absorptievermogen van grafeen. Bij een typisch vast niet-metalen materiaal kunnen elektronen in twee staten verkeren. Dat is een lage-energietoestand, waarin ze gebonden zijn aan atomen, of een hogere energietoestand, waarbij ze kunnen bewegen en een elektrische stroom dragen.
Tussen die twee staten zit de ‘band-gap’, een gat dat enkel kan overbrugd worden bij een bepaalde hoeveelheid energie. Namelijk, een elektron kan de band-gap enkel oversteken als het materiaal licht absorbeert met die specifieke energie, of anders verwoord, bepaalde golflengte.
Bij halfgeleidende materialen gebruikt om transistoren in chips te bouwen, elektronen kunnen dan van de ene kant naar de andere kant ‘hoppen’, acterend als een ‘aan’ en ‘uit’ knop.
Grafeen heeft geen natuurlijke band gap ter beschikking, de energie van elektronen kan variëren langs een continuüm. Wat een vel grafeen nutteloos maakt in transistors, aldus Byung Hee Hong, een natuurkundige aan de Seoul National University. Maar volgens hem geeft dit het materiaal een voordeel in de optica, waardoor het een breed scala van golflengten van licht kan absorberen.
“Meestal zijn verschillende materialen nodig voor verschillende golflengten, en er zijn niet veel [conventionele] materialen die gebruikt kunnen worden voor het mid-infrarood gebied,” zegt Hong, die niet betrokken was in de nieuwe studie.
Grafeen is ook chemisch en mechanisch stabiel genoeg om thermische schade te voorkomen door intense laserstralen, voegde Hong toe.
Een groot voordeel van grafeen gebaseerde ultrakorte puls-lasers is dat deze apparaten zo klein als een potlood kunnen wezen, waardoor ze veelzijdig en gemakkelijk te hanteren zijn.
Bron: scientificamerican.com