Прольем больше света на графен
 Простая схема демонстрирует разницу в возможных квантовых переходах в случае с обычным графеном и графеном со смещенным уровнем Ферми. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Спектроскопия неупругого рассеяния света – важный инструмент для исследования тел самого разного масштаба. Техника подразумевает освещение исследуемого объекта лазерным лучом, что позволяет получить информацию об оптических переходах в этом объекте. Неупругое рассеяние в данном случае отличается от упругого тем, что во время взаимодействия с веществом световая волна получает или теряет энергию (в то время как упруго-рассеянный луч света на «выходе» имеет ту же энергию).
Принцип действия спектроскопии неупругого рассеяния таков: фотоны, достигающие поверхность образца, сначала возбуждают ряд промежуточных электронных состояний, которые, в свою очередь, производят фононы (колебания кристаллической решетки) и так называемые фотоны с энергетическим сдвигом (энергия которых выше или ниже первоначальных фотонов). В данном случае промежуточные электронные возбуждения играют важную роль квантовых траекторий в неупругом рассеянии света.
Группа ученых из Lawrence Berkeley National Lab и University of California (США) впервые наблюдала квантовую интерференцию в Рамановском рассеянии света (частный случай неупругого рассеяния) на графене.
Согласно квантовой механике, квантовые частицы, такие как фотоны, могут интерферировать с другими такими же частицами и даже сами с собой. Теперь же исследователи показали, что эмиссия света от графена может контролироваться при помощи манипулирования путями интерференции, благодаря уникальной электронной структуре материала. Траектории – это возбужденные электронные состояния, которые стимулируются поступающими фотонами. При этом возбуждение может произойти только тогда, когда более низкие электронные состояния заполнены (частицами, такими как электроны), а конечные электронные состояния (расположенные выше уровня Ферми) - свободы. Ученые смогли контролировать пути возбуждения при помощи электростатического «допинга». Прикладывая внешнее напряжение, они снижали уровень Ферми, задействовав, таким образом, различные электронные состояния и «избавляясь» от высокоэнергетических электронов. Особенность графена в данном случае заключается в том, что уровень Ферми может сдвигаться на энергии, много выше по порядку величины, чем у обычных материалов. По мнению ученых, это связано с тем, что графен представляет собой двумерный кристалл.
Команда смогла существенно снизить уровень Ферми при помощи покрытия графена специальным ионным гелем, содержащим сверхпроводящую жидкость на полимерной матрице. Характеристики электронных уровней графена, таким образом, изменялись при помощи приложения внешнего напряжения к гелю.
Подобные изменения в электронной структуре материала позволяют варьировать пути интерференции. Изменения могут быть определены при помощи измерений интенсивности рамановского рассеяния при облучении образца лазером, работающим в около-инфракрасной области. Эксперименты показали, что интенсивность излучения возрастает, когда уровень Ферми опускается, вопреки тому, что можно было ожидать из классической физики.
Помимо специфических свойств рассеяния, проведенные эксперименты натолкнули ученых на явление горячей электронной люминесценции, интенсивность которой оказалась в 100 раз выше рамановского рассеяния.
Также по теме:
Источники: