Zgodnie z obowiązującymi prawami fizyki, wydajność zbierania energii świetlnej jest wprost proporcjonalna do powierzchni pochłaniającej. To właśnie z tego powodu, farmy fotowoltaiczne mają tysiące, jeżeli nie dziesiątki tysięcy paneli umieszczonych obok siebie. Naukowcy od dawna zastanawiali się nad tym, czy dany obiekt może pochłaniać promieniowanie z obszaru większego niż on sam? Okazuje się, że tak – gdy częstotliwość światła jest w rezonansie z ruchem elektronów w absorberze.
Naukowcy obserwują dwie klasy rezonansów – tzw. rezonanse cyklotronowe i rezonanse plazmonowe. Oba zjawiska zostały dokładnie zbadane w różnych układach doświadczalnych, ale w większości badanych do tej pory półprzewodników efekt wzmocnienia absorpcji był niewielki. Teraz na tapet wzięto grafen.
Przebadano absorpcję fali elektromagnetycznej rzędu kilku teraherców w warunkach, w których oba rezonanse – cyklotronowy i plazmonowy – występują jednocześnie. Eksperyment przeprowadzono w Centrum Terahercowym Uniwersytetu w Ratyzbonie (TerZ). Co dokładnie się wydarzyło?
Czytaj też: Ułamkowe stany kwantowe wykryte w dwuwarstwowym grafenie. Pierwsza taka obserwacja
Gdy wystawiono grafen na działanie pola magnetycznego, powstał rezonans cyklotronowy poprzez wymuszenie zmiany orbit elektronów. Okazało się, że gdy sygnał był stosunkowo niewielki przy konwencjonalnym rezonansie cyklotronowym, ale znacznie silniejszy w wyniku oddziaływania obu rezonansów, w tzw. trybach Bernsteina. W pobliżu częstotliwości podwójnego rezonansu cyklotronowego, fale plazmonowe były silnie spowalniane – ich prędkość spadła prawie do zera, tak że elektrony zesztywniały się. Światło uderzające w grafen zostało uwięzione i przekształcone w ultrapłynną falę powierzchniową. Fale te “utknęły” w grafenie – im więcej światła pochłonął materiał, tym bardziej się nagrzewał i tym bardziej zmieniał się jego opór. Stąd zmiana oporności grafenu pod wpływem światła jest miarą jego chłonności.
Grafen okazał się odpowiednią platformą do obserwacji anomalnie silnej absorpcji terahercowej. Badania te rzucają nowe światło na interakcje pomiędzy światłem a materią i rozszerzają rolę pól elektrycznych w najmniejszych skalach. Wyniki opublikowano w Nature Physics.