Lazeris gali padėti sukurti draudžiamosios energijos tarpą grafene

Vienas iš patraukliausių grafeno – dvimatės anglies kristalinės gardelės – bruožų yra unikalios šios medžiagos elektroninės savybės, kurios itin domina anglies pagrindo elektronikos specialistus. Vis dėlto grafenas toli gražu nėra tobulas, mat jis yra puslaidininkis, neturintis draudžiamosios energijos tarpo. Kaip teigia fizikas Luisas Foa Toresas (Luis Foa Torres), tai, jog grafenas nepasižymi draudžiamosios energijos tarpu, yra tikras šio darinio Achilo kulnas, neleidžiantis pagalvoti apie realų grafeno panaudojimą konstruojant elektronikos įrenginius.

„Puslaidininkiuose egzistuoja tam tikra energijos sritis, kurioje nėra nei vienos elektroninės būsenos, – pasakoja L. F. Toresas, dirbantis Nacionaliniame Kordobos universitete (Argentina). – Sakoma, jog čia krūvininkų tankis yra lygus nuliui. Jeigu paimsite tokį prietaisą, prijungtą prie dviejų elektrodų, tuomet galėsite sužadinti labai silpną srovę. Puslaidininkiai, neturintys draudžiamosios energijos tarpo, yra medžiagos, kuriose elektroninių būsenų tankis lygus nuliui tiktai viename taške. Tai atitinka grafeno atvejį, kur pi ir pi* juostos susiliečia vadinamajame Dirako taške. Realiai šios medžiagos elgiasi taip, tarsi visiškai neturėtų draudžiamosios energijos tarpo“.

„Ši savybė yra neparanki tuo, kad grafeno negalima „išjungti“, – toliau porina fizikas. – Galėdami manipuliuoti srove ir jos nebuvimu, tyrėjai nesunkiai užkoduoja informaciją 1 ir 0 seka, kuri nepakeičiama, kuomet kalbama apie kompiuterius bei kitus elektroninius įtaisus, pavyzdžiui, tranzistorius ar jungiklius. Būtent dėl šios priežasties įspūdingomis savybėmis pasižymintis grafenas vis dar nėra plačiai naudojamas“.

Naujausiame savo darbe L. F. Toresas nagrinėja šią problemą. Analizuodami, kaip lazerio spinduliuotė sąveikauja su grafene esančiais elektronais, tyrėjai padarė prielaidą, jog infraraudonosios spinduliuotės lazeris grafene gali sukurti draudžiamosios energijos tarpus. Be to, mokslininkai spėja, kad šiuos sukurtuosius draudžiamosios energijos tarpus galima valdyti keičiant lazerio spinduliuotės poliarizaciją. Pasak L. F. Toreso, visa šio reiškinio esmė glūdi lazerio spinduliuotės ir elektronų sąveikoje.

„Pabandykite įsivaizduoti elektroną, judantį, tarkim, iš kairės į dešinę į sritį, kuri yra veikiama lazerio spinduliuotės, – dėsto mokslininkas. – Tokiu atveju elektronas su spinduliuote sąveikauja sugerdamas arba išspinduliuodamas fotonus. Ši sąveika lems, jog elektronas bus atspindėtas ar išsklaidytas, tarsi atsimuštų į sieną, kitaip tariant, į draudžiamosios energijos tarpą. Kitaip nei įprastinių draudžiamosios energijos tarpų atveju, pastarojo prigimtis yra dinaminė, mat jį kuria lazeris“.

Parodydami, kad lazerio spinduliuotė gali būti panaudota keičiant elektroninę grafeno sandarą, tyrėjai vienu ypu nušauna du zuikius: šis darbas paliečia teorines įžvalgas ir kartu atveria kelią technologiniams taikymams.

„Savitos elektroninės grafeno sandaros sąveika su lazerio generuojama spinduliuote gali padėti sužadinti egzotines medžiagos būsenas, pavyzdžiui, topologinius izoliatorius, kurie ypatingi tuo, kad viduje yra izoliatoriai, o paviršiuje pasižymi puikiomis laidumo savybėmis, – prideda tyrėjas. – Iš kitos pusės, esu įsitikinęs, jog lazeriu sužadinti draudžiamosios energijos tarpai padės sukurti naujos rūšies optoelektronikos įtaisus, leidžiančius optinius signalus paversti elektriniais“.

L. F. Toresui ir jo kolegoms itin svarbus kitas žingsnis – eksperimentinis patikrinimas.

„Eksperimentinis mūsų atradimų patikrinimas yra viena iš varomųjų šio projekto jėgų, – tikina tyrėjas. – Siekdami palengvinti eksperimentuotojų dalią, mes itin kruopščiai suderinome įvairius parametrus, pavyzdžiui, lazerio spinduliuotės dažnį, amplitudę ir panašiai. Per pastaruosius mėnesius susilaukėme dėmesio iš amerikiečių ir ispanų eksperimentuotojų grupių. Žinoma, vis dar yra dalykų, kuriuos būtina sutvarkyti, prieš visa tai paverčiant tikrove, tačiau dabar durys yra atviros ir mes žengiame į daug žadančią naująją žemę“.