Ungewöhnlich starke Lichtabsorption Licht in der Graphen-Falle

In dem Schichtmaterial Graphen hat ein internationales Forscherteam eine ungewöhnliche Entdeckung gemacht: Bei bestimmten Wellenlängen absorbiert es viel mehr Licht, als man von seiner Absorptionsfläche erwarten würde. Dies könnte helfen, bessere Detektoren für Infrarot- und Terahertz-Strahlung zu entwickeln.

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Regensburg – Die alltägliche Erfahrung lehrt uns, dass die Effizienz der Energiegewinnung durch Licht proportional zur Fläche des absorbierenden Objektes ist. Photovoltaik-Solarparks, die in vielen Wüsten zu finden sind, sind ein Beispiel dafür: Je mehr Panels dort aufgestellt sind – je größer also die Absorptionsfläche – desto mehr Energie lässt sich gewinnen. Doch kann ein Objekt Strahlung von einer Fläche absorbieren, die größer ist als es selbst? Was absurd klingt, ist tatsächlich möglich, nämlich dann, wenn die Frequenz des Lichts mit der Bewegung der Elektronen im Absorber in Resonanz ist, also wenn die Schwingungen in Einklang stehen.

In diesem Fall hängt die Fläche der Strahlungsabsorption nicht von der Größe des Absorbers ab, sondern von der Lichtwellenlänge. Ein Wasserstoffatom z. B. hat eine Fläche in der Größenordnung von einem Angström zum Quadrat. Wird es jedoch von einer Strahlung beleuchtet, deren Frequenz mit dem Übergang zwischen den Elektronenbahnen synchron ist, kann sich die Absorptionsfläche um etwa das zweihunderttausendfache vergrößern.

Nun haben Wissenschaftler der Universität Regensburg, des Russischen Instituts für Physik und Technologie sowie des amerikanischen Massachusetts Institute of Technology und der University of Kansas eine ungewöhnlich starke Lichtabsorption in Graphen entdeckt.

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Erstarrte Elektronen

Die Forscher fanden heraus, dass die Elektronen im Graphen in eine Art Starre fallen, wenn sie mit bestimmten Frequenzen im Terahertz-Bereich angeregt werden, also bei Wellenlängen unter einem Millimeter: Die sonst in der so genannten Plasmonenresonanz schwingenden Elektronen werden dann stark abgebremst, sodass ihre Geschwindigkeit fast auf Null sinkt.

Anders formuliert: Licht, das auf Graphen trifft, wird eingefangen und in eine ultralangsame Oberflächenwelle umgewandelt. Diese Wellen bleiben im Graphen „stecken“ und verbleiben dort, bis sie absorbiert werden. Je mehr Licht Graphen also absorbiert, desto mehr erwärmt es sich und desto mehr ändert sich sein Widerstand, was zu einem größeren Photosignal führt. Daher ist die Änderung des Widerstands von Graphen unter Lichteinwirkung ein Maß für sein Absorptionsvermögen.

In diesem Zustand ist Graphen eine Art Superabsorber: Es fängt nicht nur Licht aus einem Bereich ein, der größer ist als seine geometrische Größe, sondern auch aus einem Bereich, der größer ist als das Quadrat der eingestrahlten Wellenlänge.

Kleinere Detektoren sind denkbar

Diese Erkenntnisse zeigen, dass sich Graphen als eine Plattform für die Beobachtung einer anomal starken Terahertz-Absorption eignet. Die Studie bringt neue Erkenntnisse zur Wechselwirkung zwischen Licht und Materie und erweitert die Rolle elektromagnetischer Felder auf kleinsten Skalen. Das ungewöhnliche Absorptionsverhalten von Graphen könnte als Grundlage für extrem empfindliche Infrarot- und Terahertz-Detektoren dienen, die viel kleiner sind als herkömmliche Detektoren, aber eine ähnliche Absorptionsleistung aufweisen.

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 Forscherteams.

Originalpublikation: D. A. Bandurin, E. Mönch, K. Kapralov, I. Y. Phinney, K. Lindner, S. Liu, J. H. Edgar, I. A. Dmitriev, P. Jarillo-Herrero, D. Svintsov & S. D. Ganichev; Cyclotron resonance overtones and near-field magnetoabsorption via terahertz Bernstein modes in graphene, Nature Physics; DOI: 10.1038/s41567-021-01494-8

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