Graphene có thể là chất hấp thụ ánh sáng hoàn hảo

Các nhà vật lí ở Tây Ban Nha và Anh quốc vừa tính toán được rằng graphene – một lớp carbon chỉ dày một nu – có thể dùng để chế tạo một vật hấp thụ ánh sáng hoản hảo nếu nó được pha tạp chất và cấu trúc thành một ma trận tuần hoàn. Công trình trên có thể giúp cải tiến các dụng cụ dò tìm ánh sáng, nhất là trong phần hồng ngoại của phổ điện từ, nơi những công nghệ hiện khó hoạt động.

Khẳng định trên cực kì hấp dẫn vì các chất liệu truyền thống thường cần dày đến hàng nghìn nguyên tử để hấp thụ hoàn toàn ánh sáng. “Việc dự đoán rằng một lớp chất liệu chỉ dày một nguyên tử có khả năng hấp thụ hoàn toàn ánh sáng là đáng chú ý và thú vị,” phát biểu của F Javier García de Abajo, lãnh đạo nhóm nghiên cứu tại Viện Quang học ở Madrid.

“Lớp nguyên tử đang nói là graphene được cấu trúc thành một ma trận tuần hoàn của những đĩa nano,” García de Abajo giải thích. Cấu trúc này hấp thụ ánh sáng bằng cách giam giữ nó trong những vùng nhỏ hơn hàng trăm lần so với bước sóng của ánh sáng. Việc giam giữ thực hiện được bằng cách khai thác các plasmon xảy ra bên trong từng cấu trúc đĩa nano. Plasmon là những dao động tập thể bị lượng tử hóa của các electron bên trong một đĩa nano – và chúng tương tác mạnh với ánh sáng.

 

Ảnh minh họa một tập hợp gồm những đĩa nano graphene đang hấp thụ ánh sáng

Ảnh minh họa một tập hợp gồm những đĩa nano graphene đang hấp thụ ánh sáng. (Ảnh: F Javier Garcia de Abajo.)

Pha tạp bằng các điện cực

Sự giam cầm ánh sáng trong graphene chỉ có thể xảy ra nếu chất liệu được tích điện. Và bước sóng của ánh sáng có thể bị giam cầm và hấp thụ phụ thuộc vào chất liệu đã tích điện bao nhiêu. Còn gọi là sự pha tạp vì nó là một hiệu ứng tương tự với việc đưa tạp chất vào trong chất bán dẫn thông thường, sự tích điện dễ dàng thu được bằng cách đặt các điện cực ở gần graphene. Lượng tích điện khi đó có thể điều khiển bằng cách chỉnh điện áp đặt vào các điện cực.

Trong các phép tính của họ, đội khoa học đã nghiên cứu graphene cấu trúc như thế hấp thụ ánh sáng như thế nào trong vùng hồng ngoại gần đến hồng ngoại trung của phổ điện từ. Các nhà nghiên cứu cho biết chẳng khó khăn gì việc mở rộng những kết quả của họ cho những vùng bước sóng khác, về phía hồng ngoại trung và ngưỡng terahertz, chẳng hạn, bằng cách áp dụng trực tiếp các phương trình giải tích mà họ đã sử dụng. “Toàn bộ những vùng phổ này là đặc biệt hấp dẫn, với những ứng dụng tiềm năng trong việc ghi ảnh, cảm biến và dò tìm,” García de Abajo nói. “Chúng ta đang cần có những dụng cụ hấp thụ ánh sáng tốt trong vùng bước sóng này vì các máy dò hiện nay hoạt động khá tệ trong vùng này. Công trình của chúng tôi có thể cung cấp thêm một phương pháp bắt cầu qua ‘khe vực terahertz’ đáng hổ thẹn này.”

Khoảng cách chính xác vừa đủ

Các nhà nghiên cứu cho biết các đĩa nano có thể hấp thụ những lượng lớn ánh sáng vì những cấu trúc graphene riêng lẻ này được sắp xếp cách nhau một khoảng cách được biết rõ. Nếu chúng ở quá gần nhua, ánh sáng có thể bị phát xạ trở lại và có thể bị phản xạ. Mặt khác, ánh sáng sẽ bị hấp thụ không hiệu quả nếu các đĩa nano ở quá xa nhau. Cũng có thể thu được một hiệu ứng tương tự với những cấu trúc graphene khác, đặc biệt là những cấu trúc có dải mà theo các nhà nghiên cứu là dễ pha tạp hơn.

Ánh sáng cũng tạo ra những trường cảm ứng ở gần các đĩa nano. Những trường này gồm những sóng phù du – những sóng điện từ phân hủy nhanh theo hàm mũ từ cấu trúc lan ra. “Vì thế, cơ chế không phải là một hiệu ứng nhiễu xạ theo nghĩa cổ điển trong đó hai hoặc nhiều sóng đang lan truyền giao thoa và tạo ra các vân với kích cỡ hạn chế bằng khoảng một nửa bước sóng của ánh sáng,” García de Abajo nói. “Thay vậy, nó là một sự kết hợp.”

Đội nghiên cứu hiện đang lên kế hoạch khảo sát những hiệu ứng quang đặc biệt khác ở graphene – có khả năng tiến đến giới hạn lượng tử với những nghiên cứu về hiệu ứng của từng photon độc thân. “Chúng tôi cũng hi vọng phân tích thêm những chất liệu khác, ví dụ như những chất cách điện tô pô học, có thể tạo ra những hiệu ứng giống như vậy,” García de Abajo cho biết.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Physical Review Letters.

Hoài Ân – thuvienvatly.com
Theo physicsworld.com

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Tạo bảng điểm online

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


CERN xác nhận ánh sáng có thể tán xạ bởi ánh sáng
19/08/2019
Tán xạ photon-photon là quá trình điện động lực học lượng tử lần đầu tiên đã được xác nhận thực nghiệm đến độ
11 câu hỏi lớn về vật chất tối vẫn chưa được trả lời
18/08/2019
Vào thập niên 1930, một nhà thiên văn Thụy Sĩ tên là Fritz Zwicky để ý thấy các thiên hà trong một đám thiên hà ở xa đang quay
Tương lai của tâm trí - Michio Kaku (Phần 18)
18/08/2019
CÂU CHUYỆN ĐẠO ĐỨC Có mọi ước muốn trở thành sự thật là cái gì đó mà chỉ một điều thần tính mới có thể hoàn
Tương lai của tâm trí - Michio Kaku (Phần 17)
18/08/2019
ĐẠI DIỆN và THAY THẾ Trong phim "Surrogates", Bruce Willis đóng vai một điệp viên FBI đang điều tra những vụ giết người bí ẩn.
250 Mốc Son Chói Lọi Trong Lịch Sử Vật Lí (Phần 42)
16/08/2019
Định luật chất khí Boyle 1662 Robert Boyle (1627-1691) “Marge, sao thế em?” Homer Simpson hỏi khi để ý thấy cơn đau của bà vợ
250 Mốc Son Chói Lọi Trong Lịch Sử Vật Lí (Phần 41)
16/08/2019
Máy phát tĩnh điện Von Guericke 1660 Otto von Guericke (1602–1686), Robert Jemison Van de Graaff (1901–1967) Nhà sinh lí học thần kinh
Bảng tuần hoàn hóa học tốc hành (Phần 54)
15/08/2019
Manganese Manganese là một kim loại cứng và giòn, chủ yếu dùng trong các hợp kim thép. Dù không có nhiều ưu điểm, nhưng nó là
Bảng tuần hoàn hóa học tốc hành (Phần 53)
15/08/2019
Vanadium Là một nguyên tố nữa liên quan đến vùng Scandinavia, vanadium được đặt tên theo Vanadis – một trong chín tên gọi khác

Chúng tôi hiện có hơn 60 nghìn tài liệu để bạn tìm

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com