Свет «нобелевского» углерода
Лазер на свободных электронах, созданный в стенах центра Гельмгольца в Дрездене. Фото: Frank Bierstedt / HZDR

Лазер на свободных электронах, созданный в стенах центра Гельмгольца в Дрездене. Фото: Frank Bierstedt / HZDR

Европейские физики создали уникальный лазер на базе графена

Графен оказался идеальным материалом для создания необычного лазера, способного работать в самом широком спектре частот — от инфракрасного до терагерцового. Как считают открывшие это свойство графена немецкие ученые, подобные излучатели, которые раньше считались невозможными с точки зрения физики твердых тел, заметно удешевят всю бытовую технику и научные приборы, где используются лазеры. О результатах экспериментов ученых и итогах испытания первых прототипов графенового лазера рассказывает пресс-служба Научного центра Гельмгольца в Дрездене.

Пресса и даже ученые называют сегодня графен «чудо-материалом», чьи уникальные свойства должны помочь нам решить многие проблемы современности и совершить скачок в будущее. О возможности существования этой формы углерода физикам и химикам было известно достаточно давно, однако первый образец графена был создан лишь в 2004 году российско-британскими физиками Константином Новоселовым и Андреем Геймом. За это открытие они в 2010 году получили Нобелевскую премию по физике.

«Нобелевский углерод» обладает рядом уникальных свойств — сверхвысокой электрической и тепловой проводимостью, высокой механической прочностью и химической инертностью, а также почти стопроцентной прозрачностью. Эти свойства позволили ученым создать при помощи графена контактные линзы-тепловизоры, детекторы одиночных нитей ДНК и несколько десятков видов сверхбыстрых транзисторов.

Штеффан Виннерль из дрезденского Научного центра, его коллеги по лаборатории и несколько других физиков из Чехии и Франции открыли еще одно крайне необычное свойство графена, которое невозможно объяснить при помощи современной физики, и нашли ему практическое применение, наблюдая за реакцией «нобелевского углерода» на лазерное излучение.

Как объясняют ученые, графен представляет собой одиночный слой атомов углерода, объединенных в своеобразные пчелиные соты. «Плоская» структура графена объясняет практически все его необычные и уникальные свойства и превращает его в реально существующий аналог многих абстрактных, идеализированных физических феноменов, таких как двумерный электронный газ или квантовая «бабочка» Хофштадтера.

Группа Виннерля обнаружила, что в листах графена можно найти еще одно физическое явление — так называемый эффект Оже, который, как считали раньше физики, не должен в принципе возникать в двухмерных материалах. Он появляется в тех случаях, когда электрон в одной из внутренних электронных оболочек атома «сбивается» какой-то другой частицей — к примеру, фотоном высокой энергии или свободным электроном.

Эффект Оже в листе графена. Иллюстрация: Voigt / HZDR

Его можно описать следующим образом: когда электрон вылетает со своей орбиты, на ней возникает «дырка», в результате чего электронная оболочка атома теряет стабильность. В таком состоянии атом не может существовать долго, и один из его электронов, расположенных выше «дырки», опускается в нее, выделяя при этом энергию. Эта энергия поглощается одним из электронов во внешних оболочках атома, что приводит к его катапультированию с занимаемого «насеста». Важный момент — то, с какой скоростью и энергией он вылетает, зависит не от физических свойств частицы, выбившей внутренний электрон, а от текущего устройства электронной оболочки атома.

«Представьте себе женщину-библиотекаря, которая занята сортировкой книг в шкафу с тремя полками. Она берет одну книгу с нижней полки, ставит ее на среднюю и делает так, пока не переберет все книги. Ее сын пытается ей помочь, убирая по две книги со средней полки и перемещая одну из них на верхнюю, а другую — на нижнюю полку. Сын очень хочет помочь матери, и поэтому число книг на средней полке постепенно уменьшается, несмотря на то, что это именно та часть шкафа, которую библиотекарь хочет заполнить», — объясняет Виннерль суть эффекта Оже, возникающего внутри графена.

Как говорят физики, электроны, порождаемые благодаря эффекту Оже, обычно обладают разной энергией и скоростью движения, поэтому их практически невозможно использовать для накачки лазера или в качестве основы лазера на свободных электронах. Более того, в некоторых случаях, например, при создании полупроводниковых лазеров на базе нанокристаллов, с этим эффектом приходится бороться, так как он мешает их насыщению энергией.

Если графен поместить в мощное магнитное поле, то эта проблема, по сути, полностью решается сама по себе. Из-за уникальной двумерной структуры «нобелевского углерода» электроны будут двигаться вокруг ядра атомов, как образно выражаются ученые, «словно по рельсам», и структура электронной оболочки будет намертво зафиксирована. По этой причине при облучении графена лучом лазера или пучком заряженных частиц в нем возникнет целая семья из однотипных электронов, которые можно использовать для выработки лазерного импульса.

По словам физиков, данный эффект можно использовать для создания мощных лазеров, способных работать практически на любой частоте волны в инфракрасном и терагерцовом диапазонах электромагнитного излучения. Инфракрасные лазеры сегодня используются крайне широко, начиная от считывателей штрих-кодов в магазинах и заканчивая высокоскоростными системами передачи данных. В свою очередь терагерцовые излучатели можно назвать «голубой мечтой» многих физиков и инженеров, так как они позволят нам создавать футуристические медицинские сканеры, системы безопасности для аэропортов, передачи информации и энергии на очень далекие расстояния.

Прогресс идет в тупик Далее в рубрике Прогресс идет в тупик«Русская планета» выясняла, может ли Иран договориться с Западом, Россией и Китаем о своей ядерной программе Читайте в рубрике «Наука и технологии» Казань выбрала лучшие стартапыИнвесторы на Kazan Startup Weekend в ИТ-парке начали сотрудничество с несколькими стартапами Казань выбрала лучшие стартапы

Комментарии

24 ноября 2014, 21:39
Молодцы конечно европейцы, как всегда радуют нас новыми открытиями. Хочется, что бы русская планета и про наши изобретения писала,а то все европейские да американские.
25 ноября 2014, 10:47
У нас изобретателей маловато. Все величайшие открытия делаются в молодом возрасте, а у нас средний возраст мужей науки - за 70 лет. Они только бумажки перебирать могут.
25 ноября 2014, 11:33
Очень жаль конечно. Где же наши Левши, где же наши матерые ученые со своими прекрасными научными открытиями. Не думаю что возраст - главное в этом вопросе, кто ищет тот найдет, а на этом сайте я ни разу не видел статьи о русской науке.
25 ноября 2014, 12:05
всех наших левшей Америка в 90-е годы на корню скупила в силиконовую долину и до сих пор заманивает их к себе, едут ученые за длинным американским рублем
25 ноября 2014, 14:59
Так и получается, что в России все такие ушлые ученые покупают дипломы и валят в Америку валом работать с русскими дипломами. Работоспособность повышается при хорошем окладе, а наш человек всегда может лучше работать, если есть достаточная мотивация.
25 ноября 2014, 10:49
Скорее всего сначала изобретение утащат к себе военные, что бы изобрести новые смертоносные оружия, а уж потом для людей удобства начнут делать.
25 ноября 2014, 14:15
Открытие безусловно прорывное и перспективное. А вот наглядное пояснение эффекта Оже, конечно попахивает идиотизмом...)
Авторизуйтесь чтобы оставлять комментарии.
Интересное в интернете
Расширяйте круг интересов!
Мы пишем об истории, обороне, науке и многом другом. Подписывайтесь на «Русскую планету» в соцсетях
Каждую пятницу мы будем присылать вам сборник самых важных
и интересных материалов за неделю. Это того стоит.
Закрыть окно Вы успешно подписались на еженедельную рассылку лучших статей. Спасибо!
Станьте нашим читателем,
сделайте жизнь интереснее!
Помимо актуальной повестки дня, мы также публикуем:
аналитику, обзоры, интервью, исторические исследования.
личный кабинет
Спасибо, я уже читаю «Русскую Планету»