Deutschland entwickelt neuen optischen Graphen-Detektor

Wissenschaftler des HZDR-Forschungszentrums in Helmsholt haben einen neuen optischen Detektor entwickelt, indem sie SiC ein winziges Flockengraphen plus Antenne hinzufügen. Der neue Detektor soll einfallendes Licht bei allen Wellenlängen schnell reflektieren und bei Raumtemperatur arbeiten. Dies ist das erste Mal, dass ein einzelner Detektor implementiert wurde, um den Spektralbereich von sichtbarer über Infrarotstrahlung bis hin zu Terahertz-Strahlung zu überwachen.

Wissenschaftler des HZDR-Zentrums haben begonnen, neue Graphen-Detektoren zur präzisen Synchronisation von Lasersystemen einzusetzen. Laut dem Physiker Stephan Winnerl vom HZDR-Institut für Physik und Materialien kann Graphen im Vergleich zu anderen Halbleitern wie Silizium oder Galliumarsenid Licht mit einem sehr großen Bereich an Photonenenergie transportieren und in ein elektrisches Signal umwandeln, das nur ein Breitband benötigt und geeignete Substrate.

Die Graphenschichten und die Antennenanordnung absorbieren Licht und übertragen die Energie der Photonen in die Elektronen des Graphens. Diese "heißen Elektronen" erhöhen den Widerstand des Detektors und erzeugen ein schnelles elektrisches Signal, das die Einfalllichtinjektion in nur 40 Pikosekunden abschließt.

Die Wahl des Substrats ist der Schlüssel zur Verbesserung des Lichtkollektors. Das in der Vergangenheit verwendete Halbleitersubstrat absorbiert einige Wellenlängen des Lichts, aber Siliziumkarbid absorbiert Licht im Spektralbereich nicht aktiv. Darüber hinaus wirkt die Antenne wie ein Trichter und erfasst langwellige Infrarot- und Terahertz-Strahlung. Gegenwärtig konnten Wissenschaftler den Spektralbereich auf das 90-fache des Vorgängermodells erhöhen, und die kürzeste Wellenlänge, die erfasst werden kann, ist 1000-mal kleiner als die längste. Im sichtbaren Licht ist die rote Wellenlänge am längsten, die violette Wellenlänge am kürzesten und die rote Wellenlänge nur doppelt so groß wie die violette.

Der optische Detektor wurde vom HZDR-Zentrum zur präzisen Synchronisation von zwei freien Elektronenlasern im Zentrum der Elbe übernommen. Diese präzise Synchronisation ist besonders wichtig für "Pump Probe" -Experimente, bei denen die Forscher einen der Laser verwenden, um das Material anzuregen, und dann einen anderen Laser mit einer anderen Wellenlänge für die Messung verwenden. In diesem Experiment müssen die Laserpulse präzise synchronisiert werden. Daher verwenden Wissenschaftler Graphen-Detektoren wie eine Stoppuhr. Ein präzise synchronisierter Detektor kann anzeigen, wann der Laserpuls das Ziel erreicht, und eine große Bandbreite verhindert, dass der Detektor zu einer potenziellen Fehlerquelle wird. Ein weiterer Vorteil dieses Detektortyps besteht darin, dass alle Messungen bei Raumtemperatur durchgeführt werden können, wodurch der teure und zeitaufwendige Stickstoff- oder Heliumkühlprozess vermieden wird, der von anderen Detektoren benötigt wird.

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