Forscher entdecken ungewöhnlich starke Lichtabsorption in Graphen

Wissenschaftler der Universität Regensburg, des Massachusetts Institute of Technology, des Moskauer Instituts für Physik und Technologie und der University of Kansas haben eine ungewöhnlich starke Lichtabsorption in Graphen entdeckt. Der Effekt entsteht durch die Umwandlung gewöhnlicher elektromagnetischer Wellen in superlangsame Oberflächenwellen, die durch Graphen laufen. Die Beobachtung ist von grundlegendem Interesse und zeigt auf eindrucksvolle Weise, wie die Wechselwirkung von Bernstein-Moden, kollektive Anregungen von Elektronen, die durch ihre Zyklotronbewegung angetrieben werden, und die Verschmierung elektrischer Felder auf kleinsten Skalen aufgrund von Nichtlokalität die Strahlungsabsorption von Graphen beeinflussen können. Dieses Verhalten könnte als Grundlage für extrem empfindliche Infrarot- und Terahertz-Detektoren dienen, die viel kleiner als bestehende Detektoren mit ähnlicher Absorptionseffizienz sind. Die Untersuchungen wurden im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1277 durchgeführt und in der Zeitschrift veröffentlicht Naturphysik.

Die Alltagserfahrung lehrt uns, dass die Effizienz der Lichtenergiegewinnung proportional zur Absorberfläche ist. Die „Felder“ von Sonnenkollektoren, die viele Wüsten prägen, sind ein klarer Hinweis darauf. Kann ein Objekt Strahlung aus einer Fläche absorbieren, die größer ist als es selbst? Es stellt sich heraus, ja, und es ist möglich, wenn die Lichtfrequenz in Resonanz mit der Bewegung der Elektronen im Absorber ist. In diesem Fall liegt die Absorptionsfläche der Strahlung in der Größenordnung des Quadrats der Wellenlänge des Lichts, obwohl der Absorber selbst extrem klein sein kann.

Um elektromagnetische Wellen – von Radiofrequenzen bis in den ultravioletten Bereich – mit möglichst geringen Verlusten zu empfangen, werden resonante Absorptionsphänomene genutzt. Zwei Klassen von Resonanzen sind für diese Anwendungen besonders vielversprechend: Die erste und grundlegendste wird als Zyklotronresonanz bezeichnet und tritt auf, wenn die Frequenz der einfallenden elektromagnetischen Welle mit der Frequenz übereinstimmt, mit der sich das Elektron in einem angelegten Magnetfeld auf einer Kreisbahn dreht. Die zweite Resonanz resultiert aus der synchronen Bewegung von Elektronen und dem elektromagnetischen Feld von einer Probengrenze zur anderen und wird als Plasmonenresonanz bezeichnet. Beide Resonanzen wurden erfolgreich in verschiedenen Systemen experimentell untersucht. Allerdings war der beobachtete Effekt der Absorptionsverstärkung bei den meisten bisher untersuchten Halbleitern vergleichsweise gering.

In der vorliegenden Arbeit wurde die Absorption elektromagnetischer Wellen unter Bedingungen untersucht, bei denen beide Resonanzen – Zyklotron- und Plasmonenresonanz – gleichzeitig existieren. Um dieses Phänomen zu untersuchen, wurde die Frequenz der elektromagnetischen Welle in der Größenordnung von einigen Terahertz gewählt. Für die Experimente am Terahertz-Zentrum der Universität Regensburg (TerZ) wurde Graphen, eine Schicht aus Kohlenstoffatomen, ausgewählt. Eine Substanz, die auch in herkömmlichen Bleistiftminen geschichtet zu finden ist. Seine hohe Reinheit lässt nicht nur Plasmaoszillationen, also schnelle Oszillationen der Elektronendichte, in der Struktur entstehen, sondern bewahrt sie zusätzlich, da Elektronen von einer Grenze der Probe zur anderen gelangen können, ohne jemals auf Verunreinigungen zu stoßen.

Wenn Graphen einem Magnetfeld ausgesetzt wird, werden die Bedingungen für die Zyklotronresonanz geschaffen, indem die Elektronen in Umlaufbahnen gezwungen werden. Die von einem Terahertz-Laser bereitgestellte Strahlung wurde verwendet, um Graphen anzuregen, was zu einem überraschenden Ergebnis führte: Während das Photosignal bei der herkömmlichen Zyklotronresonanz relativ klein war, beobachteten die Forscher eine enorme Photoantwort bei ihrer doppelten Frequenz. Ein detaillierter Vergleich des Experiments mit der Theorie zeigt, dass das starke Photosignal auf die Wechselwirkung des Doppelzyklotrons und der Plasmonenresonanzen in sogenannte Bernstein-Moden zurückzuführen ist, Oszillationen der Elektronendichte, die durch die Zyklotronbewegung angetrieben werden. Die einfallende Terahertz-Strahlung wird an der Probenoberfläche „umgeformt“ und koppelt an diese Moden an. Nahe der Frequenz der Doppelzyklotronresonanz werden die Plasmonenwellen stark abgebremst – ihre Geschwindigkeit sinkt auf nahezu Null, sodass die Elektronen in eine Art Starre geraten. Licht, das auf Graphen trifft, wird eingefangen und in eine ultralangsame Oberflächenwelle umgewandelt. Diese Wellen bleiben in Graphen „stecken“ und bleiben dort, bis sie absorbiert werden. Je mehr Licht Graphen absorbiert, desto mehr erwärmt es sich und desto mehr ändert sich sein Widerstand, was zu einem größeren Fotosignal führt. Daher ist die Widerstandsänderung von Graphen unter Lichteinwirkung ein Maß für dessen Absorptionsvermögen.

In diesem Regime wird erwartet, dass Graphen ein Superabsorber ist. Das heißt, es wird nicht nur Licht von einem Bereich einfangen, der größer ist als seine geometrische Größe, es wird in der Lage sein, Licht von einem Bereich einzufangen, der größer ist als das Quadrat der Wellenlänge. Die anomal niedrige Plasmonengeschwindigkeit in magnetisiertem Graphen schafft dafür alle Voraussetzungen.

Im Rahmen dieser Studie des Sonderforschungsbereichs 1277 erwies sich Graphen als eine sehr geeignete Plattform, um ungewöhnlich starke Terahertz-Absorptionen zu beobachten. Diese Untersuchungen werfen ein neues Licht auf die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie und erweitern die Rolle elektrischer Felder auf kleinste Skalen. Die Beobachtbarkeit des Phänomens ist jedoch nicht auf Graphen allein beschränkt – viele Materialien und darauf basierende Nanostrukturen unterstützen ultralangsame Oberflächenwellen. Diese zu entdecken und zu erforschen ist ein unmittelbares Ziel des internationalen Forschungsteams.

Bereitgestellt von der Universität Regensburg