Le graphène est considéré comme le touche-à-tout de la science des matériaux :le réseau bidimensionnel en nid d'abeille composé d'atomes de carbone est plus résistant que l'acier et présente des mobilités de porteurs de charge extrêmement élevées. Il est également transparent, léger et souple. Pas étonnant qu'il existe de nombreuses applications pour cela - par exemple, dans les transistors très rapides et les écrans flexibles. Une équipe dirigée par des scientifiques de l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière à Hambourg a démontré qu'il remplit également une condition importante pour une utilisation dans de nouveaux lasers pour les impulsions térahertz avec de longues longueurs d'onde. L'émission directe de rayonnement térahertz serait utile en science, mais aucun laser n'a encore été développé qui puisse le fournir. Des études théoriques ont déjà suggéré que cela pourrait être possible avec le graphène. Cependant, il y avait des doutes fondés - que l'équipe de Hambourg a maintenant dissipés. À la fois, les scientifiques ont découvert que le champ d'application du graphène a cependant ses limites :dans d'autres mesures, ils ont montré que le matériau ne peut pas être utilisé pour une récolte efficace de la lumière dans les cellules solaires.

Un laser amplifie la lumière en générant de nombreuses copies identiques de photons - en clonant les photons, comme c'était. Le processus pour ce faire est appelé émission stimulée de rayonnement. Un photon déjà produit par le laser fait passer les électrons du matériau laser (un gaz ou un solide) d'un état d'énergie plus élevée à un état d'énergie plus faible, émettant un deuxième photon complètement identique. Ce nouveau photon peut, à son tour, générer plus de photons identiques. Le résultat est une avalanche virtuelle de photons clonés. Une condition pour ce processus est que plus d'électrons soient dans l'état d'énergie supérieur que dans l'état d'énergie inférieur. En principe, chaque semi-conducteur peut répondre à ce critère.

L'état appelé inversion de population a été produit et démontré dans le graphène par Isabella Gierz et ses collègues de l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière, en collaboration avec le Central Laser Facility à Harwell (Angleterre) et le Max Planck Institute for Solid State Research à Stuttgart. La découverte est surprenante car le graphène manque d'une propriété semi-conductrice classique, qui a longtemps été considérée comme une condition préalable à l'inversion de population :ce qu'on appelle une bande interdite. La bande interdite est une région d'états d'énergie interdits, qui sépare l'état fondamental des électrons d'un état excité avec une énergie plus élevée. Sans excès d'énergie, l'état excité au-dessus de la bande interdite sera presque vide et l'état fondamental en dessous de la bande interdite sera presque complètement peuplé. Une inversion de population peut être obtenue en ajoutant de l'énergie d'excitation aux électrons pour modifier leur état énergétique à celui au-dessus de la bande interdite. C'est ainsi que se produit l'effet d'avalanche décrit ci-dessus.

Jusqu'à maintenant, les impulsions térahertz n'ont été générées que par des processus optiques non linéaires inefficaces

Cependant, la bande interdite dans le graphène est infinitésimale. "Néanmoins, les électrons du graphène se comportent de manière similaire à ceux d'un semi-conducteur classique", dit Isabella Gierz. Dans une certaine mesure, le graphène pourrait être considéré comme un semi-conducteur à bande interdite nulle. En raison de l'absence de bande interdite, l'inversion de population dans le graphène ne dure qu'environ 100 femtosecondes, moins d'un trillionième de seconde. "C'est pourquoi le graphène ne peut pas être utilisé pour les lasers continus, mais potentiellement pour des impulsions laser ultracourtes", Gierz explique.

Un tel laser au graphène serait particulièrement utile à des fins de recherche. Il pourrait être utilisé pour amplifier la lumière laser avec de très longues longueurs d'onde; rayonnement dit térahertz. Ce type de lumière laser pourrait être utilisé dans la recherche fondamentale pour étudier, par exemple, supraconducteurs à haute température. À ce jour, le rayonnement térahertz a été produit en utilisant comparativement inefficace, processus optiques dits non linéaires. En outre, la gamme de longueurs d'onde disponibles est souvent limitée par le matériau non linéaire utilisé. Les découvertes récentes indiquent que le graphène pourrait être utilisé pour une amplification à large bande passante de longueurs d'onde arbitrairement longues.

Cependant, l'équipe basée à Hambourg a également anéanti les espoirs de certains scientifiques des matériaux - en fin de compte, le graphène n'est probablement pas adapté à la conversion du rayonnement solaire en électricité dans les cellules solaires. « D'après nos mesures, un seul photon dans le graphène ne peut pas libérer plusieurs électrons, comme prévu auparavant", dit Gierz. C'est une condition préalable à une conversion efficace du rayonnement en électricité.

Le carbure de silicium peut être utilisé pour produire du graphène pour les lasers

Les scientifiques de Hambourg ont étudié le graphène à l'aide d'une méthode appelée spectroscopie de photoémission à résolution temporelle. Cela impliquait d'éclairer le matériau avec des impulsions de lumière ultraviolette (UV) ultracourtes. En conséquence, les électrons sont expulsés de l'échantillon et les physiciens mesurent leur énergie et leur angle de sortie. Les données résultantes sont utilisées pour établir la distribution d'énergie des électrons dans le matériau. La résolution temporelle est obtenue en retardant le temps d'arrivée de l'impulsion de sonde UV par rapport à une impulsion d'excitation arbitraire.

Dans la présente expérience, les électrons du graphène ont été excités à l'aide d'une lumière laser infrarouge. Ensuite, les scientifiques ont utilisé la spectroscopie de photoémission pour démontrer l'occurrence d'une inversion de population. D'une manière similaire, ils ont établi que la multiplication des porteurs ne pouvait pas être obtenue par rayonnement.

Le graphène a été produit par les scientifiques par décomposition thermique de carbure de silicium. Selon Gierz, cette procédure peut également être utilisée pour fabriquer un laser au graphène, puisque le carbure de silicium est transparent et n'interfère pas avec le rayonnement térahertz. Cependant, le physicien admet qu'il reste beaucoup de travail de développement pour produire un laser au graphène.