利用石墨烯实现太赫兹波和红外光的按需控制

日内瓦大学和曼彻斯特大学的研究人员通过实验证实了石墨烯中的强磁光共振理论。

利用磁场或电场控制红外光和太赫兹波，是物理学领域的巨大挑战之一，有望彻底改变光电子学、电信和医学诊断。早在2006年的一项理论预测，在磁场中使用石墨烯，应该不仅可以按需吸收太赫兹波和红外光，还可以控制圆偏振（极化）的方向。日内瓦大学（University of Geneva, UNIGE)和曼彻斯特大学（University of Manchester）的研究人员成功地测试了这一理论并获得了预期的结果。该研究已发表于Nature Nanotechnology杂志，表明科学家们发现了一种控制红外光和太赫兹波的有效方法。

“有一种被称为Dirac的材料，其电子表现得好像没有质量，类似于光子，”UNIGE量子物质物理系研究员Alexey Kuzmenko解释称。这种材料之一便是石墨烯（一种单层碳原子成蜂窝状排列的结构），类似于制造铅笔所用的石墨。

石墨烯和光之间的相互作用提示这种材料或能用于控制红外光和太赫兹波。“这将是光电子、安全、电信和医疗诊断领域的巨大飞跃，”UNIGE研究人员指出。

新实验支持旧理论

2006年的理论预测认为，如果将Dirac材料放置在磁场中，它会产生非常强的回旋共振。“当带电粒子在磁场中时，它会在圆形轨道上运动并吸收轨道或回旋加速器的电磁能量，就像在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机中的情况一样，”Alexey Kuzmenko解释说，“而当带电粒子没有质量，就像石墨烯中的电子，那光的吸收最大！”

为了证明这种最大吸收，物理学家需要一种非常纯的石墨烯，在这种条件下长距离传输的电子才不会在杂质或晶体缺陷上分散。但是这种纯度和晶格的石墨烯很难获得，只有当石墨烯被封在另一种二维材料——氮化硼（boron nitride）中时才能实现。

UNIGE的研究人员通过与André Geim领导的曼彻斯特大学合作（André Geim因为发现了石墨烯而在2010年获得诺贝尔物理学奖），开发极其纯净的石墨烯样品。虽然这些样品对于这种类型的石墨烯来说已经很大了，但是它们还是相对太小，无法用目前的成熟技术来量化回旋共振。因此，日内瓦的研究人员构建了一种特殊的实验装置，将红外光和太赫兹辐射集中在磁场中的纯石墨烯样品上。“实验结果证实了2006年的理论！”Alexey Kuzmenko称。

定制控制偏振

实验结果首次表明，如果采用纯石墨烯层，确实会发生巨大的磁光效应。“现在，红外光最大可能的磁吸收在单原子层中实现了，”Alexey Kuzmenko说。

此外，物理学家们发现还可以选择吸收左旋圆偏振或是右旋圆偏振。“天然或本征石墨烯是电中性的，吸收所有光。但是，如果我们引入正电荷或负电荷载流子，就可以选择吸收哪种偏振，并且，在红外光和太赫兹波范围都有效，”研究人员解释说。

这种能力具有至关重要的作用，特别是在药物开发领域，某些关键药物分子会根据偏振方向与光相互作用。有趣的是，这种控制能力还被认为有望用于寻找系外行星的生命，因为有可能观察到生物物质中固有的分子手性特征。

最后，物理学家们发现，为了观察太赫兹波范围内的强烈效应，通过廉价的永磁体施加磁场就足够了。

现在该理论得到了证实，研究人员将继续研究太赫兹波和红外光范围的磁力可调源及探测器。期待石墨烯给我们带来更多惊喜！