自英國物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫于2004年成功地從石墨中分離出石墨烯以來，這種神奇的材料便引起了世界上眾多科學家的興趣，倍加關注它那些只有一個原子厚、蜂窩型材料相結合的機械韌性、優(yōu)越的電氣和熱導率等特點。
據(jù)物理學家組織網近日報道，美國愛荷華州立大學的一個科學家小組又發(fā)現(xiàn)了石墨烯兩個新的屬性：電子粒子數(shù)反轉和寬頻帶光學增益，可以應用于高速電信設備和激光技術上。由于石墨烯的本領如此“神通廣大”，一個國際科學家團隊正打算人工制造石墨烯，令其表現(xiàn)得更理想、更完美。
激發(fā)電子寬帶粒子數(shù)反轉
美國愛荷華州立大學物理與天文學系助理教授、美國能源部埃姆斯實驗室部副研究員王濟鋼（音譯）帶領研究小組，在石墨烯中閃過極短的激光脈沖，立即發(fā)現(xiàn)了一種新的光激發(fā)電子寬頻帶粒子數(shù)反轉特點的石墨烯狀態(tài)。在正常情況下，大部分電子占據(jù)低能量狀態(tài)，只是少數(shù)會填充高能量狀態(tài)。而在粒子數(shù)倒轉狀態(tài)下情況正好相反：更多的電子填充高能量狀態(tài)而非低能量。在自然界中，這種粒子數(shù)倒置非常罕見，可以具有極不尋常的性質。由此，在石墨烯中，新的狀態(tài)產生了可見的紅外光增益。
簡單地說，光增益意味著更多的可見光“出來”勝過“進去”，這只能發(fā)生在當用增益介質作為外部的泵，然后用受激發(fā)射的光刺激時。研究人員的發(fā)現(xiàn)可為在電信業(yè)提供高效率放大器和極快速的光電子器件打開大門。
王濟鋼說：“這是非常令人興奮的。石墨烯作為光放大增益介質成為可能。其可用于寬帶光放大器或電信的高速調制器，甚至還給基于石墨烯的激光器的發(fā)展帶來影響。”
該研究成果近日公布于《物理評論快報》雜志上。
創(chuàng)造非線性狀態(tài)躍動
王濟鋼認為，其他科學家團隊已經研究了石墨烯的光學性質，但主要是線性狀態(tài)。而他的研究小組可以作為一個橋梁來幫助增進對石墨烯新性質的認識，以彌補目前研究在理解上的空缺，通過解釋石墨烯非線性光學性質了解非平衡的電子狀態(tài)。
研究小組的結論可能會使石墨烯形成一個新的“特別非常規(guī)的狀態(tài)”，導致粒子數(shù)反轉和光學增益。他解釋道：“線性光學性質只能傳輸光，一個光信號進入材料和從材料中出來。但非直線的屬性可以改變和調節(jié)信號，而不僅僅是發(fā)送，從而為新型設備的應用提供功能。”他說：“在此方面，這是首次取得新的突破，觀察到石墨烯處于極其致密電子組成的狀態(tài)，即一個高度非線性的狀態(tài)。石墨烯因此具有獨特的性能。”
該研究小組采用埃姆斯實驗室生成的高品質石墨單層，利用只有35飛秒短脈沖光的超快激光“激發(fā)”材料的電子。研究發(fā)現(xiàn)，通過測量光誘導電子狀態(tài)，當脈沖能量泵高于閾值增加時，石墨烯層的光導電性或吸收性從正極到負極變化，導致光學增益。結果表明，在粒子反轉狀態(tài)，石墨烯被光激發(fā)后放射的光比其吸收的光線要多得多，吸收為負。研究人員解釋道，這意味著，粒子數(shù)反轉確實是建立在激發(fā)石墨烯和更多從反轉媒介中出去的光線超過進入光線的基礎之上的，由此達到光增益。其發(fā)出的光增益層只有一個原子厚，而這種效果若是采用傳統(tǒng)的半導體光放大器則需要數(shù)百倍的厚度。（來源：科技日報 華凌）
