利用磁場或電場來控制紅外線和太赫茲波的能力是物理學中一個巨大挑戰(zhàn)，它可能徹底改變光電子、電信和醫(yī)學診斷。之前理論預測石墨烯（一種由碳原子組成的單原子層）在磁場中不僅可以根據(jù)需要吸收太赫茲和紅外光，還可以控制圓偏振的方向。

瑞士日內瓦大學和曼徹斯特大學的研究人員成功地驗證了這一理論，并取得了預期的結果，這項將發(fā)表在《自然納米技術》上的研究表明：

科學家們發(fā)現(xiàn)了一種控制紅外線和太赫茲波的有效方法。這也表明石墨烯正在“履行其最初的承諾”，并成為未來的材料，無論是在地球上還是在太空中。存在一類所謂的狄拉克材料，其中電子的行為就像它們沒有質量一樣，類似于光粒子，光子，狄拉克材料之一是石墨烯，一種排列成蜂窩狀結構的單層碳原子，與用于制作鉛筆的石墨有關。石墨烯和光之間的相互作用表明，這種材料可以用來控制紅外線和太赫茲波。這將是光電子、安全、電信和醫(yī)療診斷領域向前邁出的一大步。

通過實驗來支持舊理論

先前理論預測假設，如果將狄拉克材料置于磁場中，它將產(chǎn)生很強的回旋共振。當一個帶電粒子在磁場中，它在一個圓形軌道上運動，并吸收軌道上的電磁能量，或回旋加速器的頻率，例如它發(fā)生在歐洲核子研究中心的大型強子對撞機。當粒子帶電荷但沒有質量時，比如石墨烯中的電子，光的吸收就會達到最大值！為了證明這種最大吸收率，物理學家們需要一種非常純的石墨烯，這樣長距離運動的電子就不會分散在雜質或晶體缺陷上。

但這種純度和晶格順序很難獲得，只有當石墨烯被封裝在另一種二維材料——氮化硼中時才能獲得。UNIGE的研究人員與曼徹斯特大學Andre geim領導的研究小組合作，開發(fā)了極其純凈的石墨烯樣品。Andre geim是諾貝爾物理學獎得主，因為發(fā)現(xiàn)了石墨烯，這些樣品對于這種石墨烯來說非常大，但是太小，無法用成熟的技術來量化回旋共振。這就是為什么日內瓦的研究人員建立了一個特殊的實驗裝置，將紅外線和太赫茲輻射集中在磁場中純石墨烯的小樣本上，實驗結果證實了理論預測。

按需控制

結果首次證明，如果使用一層純石墨烯，確實會產(chǎn)生巨大的磁光效應。目前，紅外光最大可能的磁吸收是在單原子層中實現(xiàn)。此外，物理學家發(fā)現(xiàn)，可以選擇哪一種圓偏振（左旋還是右旋）應該被吸收。天然或本征石墨烯是電中性的，能吸收所有光線，無論其極化程度如何。但是如果引入帶電載體，無論是正極還是負極，都可以選擇哪一種極化被吸收，這在紅外波段和太赫茲波段都是有效的。

這種能力發(fā)揮著至關重要的作用，特別是在制藥行業(yè)，某些關鍵藥物分子與光的相互作用取決于偏振方向。有趣的是，這種控制被認為有希望在系外行星上尋找生命，因為可以觀察到生物物質固有的分子手性特征。最后，物理學家們發(fā)現(xiàn)，要觀察太赫茲范圍內的強效應，只需施加磁場就足夠了，而廉價的永磁體已經(jīng)可以產(chǎn)生磁場。現(xiàn)在這一理論已經(jīng)得到證實，研究人員將繼續(xù)研究可調磁源以及太赫茲和紅外光探測器。

博科園｜研究/來自：日內瓦大學

參考期刊《自然納米技術》

DOI: 10.1038/s41565-019-0489-8

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