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由UNIGE團隊建造的將紅外和太赫茲輻射聚焦在磁場中的純石墨烯小樣品上的實驗裝置

利用磁場或電場控制紅外線和太赫茲波的技術是物理學中可能徹底改變光電子學、電信和醫學診斷等領域的巨大挑戰之一。2006年的一項理論預測，應該可以在磁場中使用石墨烯（單原子層碳原子）實現該技術，它不僅可以根據需要吸收太赫茲和紅外光，還可以控制圓偏振光的方向。

近日訊息，日內瓦大學（UNIGE）、瑞士大學和曼徹斯特大學的研究人員成功地測試驗證了這一理論並取得了預期的結果。該研究發表在Nature Nanotechnology雜誌上，表明科學家們發現了一種控制紅外和太赫茲波的有效方法。它還表明，石墨烯正在保持其最初的承諾，並且正在成為未來的材料，無論是在地球上還是在太空中。

“眾所周知，存在一類所謂的狄拉克材料，其中電子錶現得好像沒有質量，類似於光粒子、光子，”UNIGE量子物質系研究員Alexey Kuzmenko解釋說。科學系與Ievgeniia Nedoliuk一起進行了這項研究。石墨烯就是這種狄拉克材料之一，它是以蜂窩結構排列的單層碳原子，與用於製造鉛筆的石墨有關。

石墨烯和光之間的相互作用表明這種材料可用於控制紅外和太赫茲波。“這將是光電子、安全、電信和醫療診斷領域的一大進步，”日內瓦的研究人員指出。

透過實驗驗證了以前的理論

2006年，科學家提出一項預測理論，認為如果將狄拉克材料放置在磁場中，它將產生非常強的迴旋共振。“當帶電粒子處於磁場中時，它會以圓軌道運動並吸收軌道或迴旋加速器頻率的電磁能量。例如，這有可能發生在歐洲核子研究中心的大型強子對撞機上，”Alexey Kuzmenko解釋說。“當粒子帶電而沒有質量時，就像石墨烯中的電子一樣，光的吸收最大！”

為了證明這種最大吸收，物理學家需要一種非常純淨的石墨烯，以便長距離傳播的電子不會散佈在雜質或晶體缺陷上。但是這種純度和晶格級別很難獲得，並且只有當石墨烯被封裝在另一種二維材料 - 氮化硼中時才能實現。

UNIGE的研究人員與曼徹斯特大學的團隊合作，該團隊由2010年諾貝爾物理學獎獲得者AndréGeim領導，他們開發出了極其純淨的石墨烯樣品。這些樣品對於這種型別的石墨烯而言特別大，但仍然太小，無法用成熟的技術來量化迴旋共振。這就是為什麼日內瓦研究人員建立了一個特殊的實驗裝置，將紅外和太赫茲輻射集中在磁場中的純石墨烯的小樣品上。“實驗結果證實了2006年的理論！” Alexey Kuzmenko補充道。

定製控制極化

該實驗結果結果首次表明，如果使用純石墨烯層，確實會發生巨大的磁光效應。“現在，紅外光的最大可能磁吸收是在單原子層中實現的，”Kuzmenko說。

此外，物理學家發現可以選擇應該吸收哪個圓極化 - 左或右 - 。“天然或本徵石墨烯是電中性的，無論其極化如何，都能吸收所有光。但如果我們引入帶正電或負電的載流子，我們可以選擇吸收哪種極化，這在紅外和太赫茲範圍都有效， “科學家繼續說道。這種能力起著至關重要的作用，特別是在藥物研究中，某些關鍵藥物分子根據極化方向與光相互作用。有趣的是，這種控制被認為有望用於尋找系外行星的生命，因為有可能觀察到生物物質中固有的分子手性的特徵。

最後，物理學家發現，為了觀察太赫茲範圍內的強烈效應，施加磁場就足夠了，磁場可以透過廉價的永磁體產生。現在該理論得到了證實，研究人員將繼續研究磁力可調源和太赫茲光和紅外光探測器。石墨烯的潛能將繼續讓他們感到驚訝。

Ievgeniia O. Nedoliuk et al, Colossal infrared and terahertz magneto-optical activity in a two-dimensional Dirac material,

Nature Nanotechnology (2019). DOI: 10.1038/s41565-019-0489-8

資料來源：phys.org，

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