Świetlna fala uderzeniowa w grafenie

13 czerwca 2016, 14:54 | Astronomia/fizyka

Gdy samolot zaczyna poruszać się szybciej od dźwięku, powstaje fala uderzeniowa, tzw. grom dźwiękowy. Teraz grupa naukowców m.in. z MIT przewidziała istnienie podobnego efektu, ale z wykorzystaniem światła poruszającego się w grafenie.

Historia intrygującego odkrycia rozpoczęła się od postrzeżenia, że gdy światło trafia do grafenu jest w nim kilkusetkrotnie spowalniane. Uczonych zaintrygował fakt, że prędkość światła w grafenie jest podobna do prędkości elektronów poruszających się w tym materiale. Grafen ma możliwość przechwycenia światła w postaci tzw. plazmonów powierzchniowych - mówi główny autor artykułu opisującego odkrycie, Ido Kaminer. Głównymi autorami badań są profesorowie Marin Soljacic i Johan Joannopoulos oraz sześciu innych naukowców z Izraela, Chorwacji i Singapuru.

Plazmony powierzchniowe to wirtualne cząstki będące w rzeczywistości oscylacjami elektronów na powierzchni. Gdy zaś przez grafen przepuścimy prąd elektryczny, to elektrony poruszają się w tym materiale bardzo szybko, do 1000 km/s, czyli 300-krotnie wolniej niż prędkość światła w próżni. Obie prędkości - kilkusetkrotnie spowolnionego światła oraz szybkich elektronów - są do siebie zbliżone. Naukowcy doszli do wniosku, że pomiędzy plazmonami powierzchniowymi a elektronami mogłoby dojść do interakcji, jeśli udałoby się dopasować materiał tak, by miały w nim identyczną prędkość. Wykorzystując teoretyczne analizy uczeni wykazali, że możliwe jest uzyskanie w grafenie świetlnego odpowiednika gromu dźwiękowego, a to z kolei prowadzi do nowej metody uzyskiwania światła. Zjawisko takie jest możliwe, gdyż prędkość elektronów w grafenie zbliża się do prędkości światła i przełamuje barierę tej prędkości. W przypadku grafenu prowadzi to do zamkniętej w dwuwymiarowej przestrzeni świetlnej fali uderzeniowej - mówi profesor Soljacic. Naukowcy zauważają, że dochodzi tu do wykorzystania promieniowania Czerenkowa, czyli promieniowania elektromagnetycznego, które jest emitowane, gdy naładowana cząstka porusza się z prędkością większą od fazowej prędkości światła w danym ośrodku.

Obecnie potrafimy generować światło na wiele sposobów. Praktyczne wykorzystanie promieniowania Czerenkowa w grafenie byłoby w niektórych zastosowaniach znacznie bardziej efektywne, dawałoby lepszą kontrolę i elastyczność od obecnie wykorzystywanych technik. Nowe odkrycie mogłoby przydać się np. przy budowie komputerów optycznych. Naukowcy, pracujący nad takimi urządzeniami, zmagają się z problemem rozpraszania się światła. W dwuwymiarowym grafenie w odpowiednich warunach można by zapobiec temu niekorzystnemu zjawisku.