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  自英国物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫于2004年成功地从石墨中分离出石墨烯以来,这种神奇的材料便引起了世界上众多科学家的兴趣,倍加关注它那些只有一个原子厚、蜂窝型材料相结合的机械韧性、优越的电气和热导率等特点。

  据物理学家组织网近日报道,美国爱荷华州立大学的一个科学家小组又发现了石墨烯两个新的属性:电子粒子数反转和宽频带光学增益,可以应用于高速电信设备和激光技术上。由于石墨烯的本领如此“神通广大”,一个国际科学家团队正打算人工制造石墨烯,令其表现得更理想、更完美。

  激发电子宽带粒子数反转

  美国爱荷华州立大学物理与天文学系助理教授、美国能源部埃姆斯实验室部副研究员王济钢(音译)带领研究小组,在石墨烯中闪过极短的激光脉冲,立即发现了一种新的光激发电子宽频带粒子数反转特点的石墨烯状态。在正常情况下,大部分电子占据低能量状态,只是少数会填充高能量状态。而在粒子数倒转状态下情况正好相反:更多的电子填充高能量状态而非低能量。在自然界中,这种粒子数倒置非常罕见,可以具有极不寻常的性质。由此,在石墨烯中,新的状态产生了可见的红外光增益。

  简单地说,光增益意味着更多的可见光“出来”胜过“进去”,这只能发生在当用增益介质作为外部的泵,然后用受激发射的光刺激时。研究人员的发现可为在电信业提供高效率放大器和极快速的光电子器件打开大门。

  王济钢说:“这是非常令人兴奋的。石墨烯作为光放大增益介质成为可能。其可用于宽带光放大器或电信的高速调制器,甚至还给基于石墨烯的激光器的发展带来影响。”

  该研究成果近日公布于《物理评论快报》杂志上。

  创造非线性状态跃动

  王济钢认为,其他科学家团队已经研究了石墨烯的光学性质,但主要是线性状态。而他的研究小组可以作为一个桥梁来帮助增进对石墨烯新性质的认识,以弥补目前研究在理解上的空缺,通过解释石墨烯非线性光学性质了解非平衡的电子状态。

  研究小组的结论可能会使石墨烯形成一个新的“特别非常规的状态”,导致粒子数反转和光学增益。他解释道:“线性光学性质只能传输光,一个光信号进入材料和从材料中出来。但非直线的属性可以改变和调节信号,而不仅仅是发送,从而为新型设备的应用提供功能。”他说:“在此方面,这是首次取得新的突破,观察到石墨烯处于极其致密电子组成的状态,即一个高度非线性的状态。石墨烯因此具有独特的性能。”

  该研究小组采用埃姆斯实验室生成的高品质石墨单层,利用只有35飞秒短脉冲光的超快激光“激发”材料的电子。研究发现,通过测量光诱导电子状态,当脉冲能量泵高于阈值增加时,石墨烯层的光导电性或吸收性从正极到负极变化,导致光学增益。结果表明,在粒子反转状态,石墨烯被光激发后放射的光比其吸收的光线要多得多,吸收为负。研究人员解释道,这意味着,粒子数反转确实是建立在激发石墨烯和更多从反转媒介中出去的光线超过进入光线的基础之上的,由此达到光增益。其发出的光增益层只有一个原子厚,而这种效果若是采用传统的半导体光放大器则需要数百倍的厚度。(记者华凌综合外电)