Графен считается «чудо-материалом»: его прочность на разрыв выше, чем у стали, и он проводит электричество и тепло более эффективно, чем медь. Как двумерная структура, состоящая только из одного слоя атомов углерода, она также гибкая, почти прозрачная и примерно в миллион раз тоньше листа бумаги. Более того, вскоре после его открытия десять лет назад ученые обнаружили, что энергетические состояния графена в магнитном поле — известные как уровни Ландау — ведут себя иначе, чем состояния полупроводников. «Многие удивительные эффекты были обнаружены с графеном в магнитных полях, но динамика электронов никогда не изучалась в такой системе до сих пор», — объясняет физик доктор Стефан Виннерл из HZDR.
Исследователи HZDR подвергли графен воздействию магнитного поля силой 4 Тесла — в сорок раз сильнее, чем подковообразный магнит. В результате электроны в графене занимают только определенные энергетические состояния. Отрицательно заряженные частицы фактически вытеснялись на рельсы.
Затем эти энергетические уровни были исследованы с помощью импульсов лазерного излучения на свободных электронах в HZDR. «Лазерный импульс возбуждает электроны до определенного уровня Ландау. Затем задержанный во времени импульс исследует, как развивается система», — объясняет Мартин Миттендорф, докторант HZDR и первый автор статьи.Перераспределение электронов удивляет ученых
Результат экспериментов поразил исследователей. Этот конкретный энергетический уровень, на который с помощью лазера накачивались новые электроны, постепенно опустел. Виннерл иллюстрирует этот парадоксальный эффект на повседневном примере: «Представьте себе библиотекаря, сортирующего книги на книжной полке с тремя полками.
Она кладет по одной книге с нижней полки на среднюю. Ее сын одновременно« помогает », беря две книги. со средней полки, поместив одну из них на верхнюю полку, а другую — на нижнюю. Сын очень хочет, и теперь количество книг на средней полке уменьшается, хотя это как раз та полка, которую его мать хочет заполнить ».
Поскольку раньше не существовало ни экспериментов, ни теорий относительно такой динамики, дрезденским физикам поначалу было трудно правильно интерпретировать сигналы. Однако после ряда попыток они нашли объяснение: столкновения между электронами вызывают эту необычную перестройку. «Этот эффект давно известен как рассеяние Оже, но никто не ожидал, что он будет настолько сильным и приведет к снижению уровня энергии», — объясняет Виннерл.
Это новое открытие может быть использовано в будущем для разработки лазера, который может излучать свет с произвольно регулируемой длиной волны в инфракрасном и терагерцовом диапазонах. «Такой лазер на уровне Ландау долгое время считался невозможным, но теперь с графеном эта мечта физиков-полупроводников может стать реальностью», — с энтузиазмом говорит Виннерл.Берлинские исследователи рассчитали сложную модель для дрезденских экспериментовПосле того, как фундаментальная модель, использованная в экспериментах, заработала удовлетворительно, последовала точная теоретическая работа, которая проводилась в Техническом университете Берлина.
Берлинские ученые Эрмин Малич и Андреас Норр подтвердили, используя сложные вычисления, предположения дрезденской группы и предоставили подробное понимание основных механизмов. Исследователи HZDR дополнительно сотрудничали с Французской лабораторией сильного магнитного поля в Гренобле (Laboratoire National des Champs Magnetiques Intenses — LNCMI), Карловым университетом в Праге и Технологическим институтом Джорджии в Атланте (США).
Исследование финансировалось немецкой исследовательской ассоциацией DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft) в рамках программы «Графен».