自英國物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫于2004年成功地從石墨中分離出石墨烯以來，這種神奇的材料便引起了世界上眾多科學家的興趣，倍加關(guān)注它那些只有一個原子厚、蜂窩型材料相結(jié)合的機械韌性、優(yōu)越的電氣和熱導(dǎo)率等特點。
據(jù)物理學家組織網(wǎng)近日報道，美國愛荷華州立大學的一個科學家小組又發(fā)現(xiàn)了石墨烯兩個新的屬性：電子粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和寬頻帶光學增益，可以應(yīng)用于高速電信設(shè)備和激光技術(shù)上。由于石墨烯的本領(lǐng)如此“神通廣大”，一個國際科學家團隊正打算人工制造石墨烯，令其表現(xiàn)得更理想、更完美。
激發(fā)電子寬帶粒子數(shù)反轉(zhuǎn)
美國愛荷華州立大學物理與天文學系助理教授、美國能源部埃姆斯實驗室部副研究員王濟鋼（音譯）帶領(lǐng)研究小組，在石墨烯中閃過極短的激光脈沖，立即發(fā)現(xiàn)了一種新的光激發(fā)電子寬頻帶粒子數(shù)反轉(zhuǎn)特點的石墨烯狀態(tài)。在正常情況下，大部分電子占據(jù)低能量狀態(tài)，只是少數(shù)會填充高能量狀態(tài)。而在粒子數(shù)倒轉(zhuǎn)狀態(tài)下情況正好相反：更多的電子填充高能量狀態(tài)而非低能量。在自然界中，這種粒子數(shù)倒置非常罕見，可以具有極不尋常的性質(zhì)。由此，在石墨烯中，新的狀態(tài)產(chǎn)生了可見的紅外光增益。
簡單地說，光增益意味著更多的可見光“出來”勝過“進去”，這只能發(fā)生在當用增益介質(zhì)作為外部的泵，然后用受激發(fā)射的光刺激時。研究人員的發(fā)現(xiàn)可為在電信業(yè)提供高效率放大器和極快速的光電子器件打開大門。
王濟鋼說：“這是非常令人興奮的。石墨烯作為光放大增益介質(zhì)成為可能。其可用于寬帶光放大器或電信的高速調(diào)制器，甚至還給基于石墨烯的激光器的發(fā)展帶來影響。”
該研究成果近日公布于《物理評論快報》雜志上。
創(chuàng)造非線性狀態(tài)躍動
王濟鋼認為，其他科學家團隊已經(jīng)研究了石墨烯的光學性質(zhì)，但主要是線性狀態(tài)。而他的研究小組可以作為一個橋梁來幫助增進對石墨烯新性質(zhì)的認識，以彌補目前研究在理解上的空缺，通過解釋石墨烯非線性光學性質(zhì)了解非平衡的電子狀態(tài)。
研究小組的結(jié)論可能會使石墨烯形成一個新的“特別非常規(guī)的狀態(tài)”，導(dǎo)致粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和光學增益。他解釋道：“線性光學性質(zhì)只能傳輸光，一個光信號進入材料和從材料中出來。但非直線的屬性可以改變和調(diào)節(jié)信號，而不僅僅是發(fā)送，從而為新型設(shè)備的應(yīng)用提供功能。”他說：“在此方面，這是首次取得新的突破，觀察到石墨烯處于極其致密電子組成的狀態(tài)，即一個高度非線性的狀態(tài)。石墨烯因此具有獨特的性能。”
該研究小組采用埃姆斯實驗室生成的高品質(zhì)石墨單層，利用只有35飛秒短脈沖光的超快激光“激發(fā)”材料的電子。研究發(fā)現(xiàn)，通過測量光誘導(dǎo)電子狀態(tài)，當脈沖能量泵高于閾值增加時，石墨烯層的光導(dǎo)電性或吸收性從正極到負極變化，導(dǎo)致光學增益。結(jié)果表明，在粒子反轉(zhuǎn)狀態(tài)，石墨烯被光激發(fā)后放射的光比其吸收的光線要多得多，吸收為負。研究人員解釋道，這意味著，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)確實是建立在激發(fā)石墨烯和更多從反轉(zhuǎn)媒介中出去的光線超過進入光線的基礎(chǔ)之上的，由此達到光增益。其發(fā)出的光增益層只有一個原子厚，而這種效果若是采用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體光放大器則需要數(shù)百倍的厚度。（來源：科技日報 華凌）
