Схема эксперимента по фарадеевскому вращению θ_F, индуцированному накачкой, на графеновых дисках. Частота зондирующего и накачивающего луча установлена на уровне 3,5 ТГц. На пути луча накачки расположена четвертьволновая пластинка (пластина λ/4). Его вращение на -45° и +45° генерирует левый (σ⁺) и правый (σ^-) – луч накачки с круговой поляризацией. Зондирующий луч линейно поляризован в вертикальном направлении, знак θ_F обозначает его направление. Поляризатор из проволочной сетки расположен на пути зондирующего луча и ориентирован под углом 45° к падающему зондирующему лучу. Отраженный и прошедший зондирующий луч от поляризатора из проволочной сетки направляются на болометры B2 и B1 соответственно.
Фото: Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43412-x

Физики из Университета Дуйсбург-Эссен и их партнеры обнаружили, что крошечные листы графена могут становиться электромагнитами под действием инфракрасного излучения. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Сам образец невидим для человеческого глаза: на поверхности размером 2 х 2 миллиметра расположены крошечные диски, каждый диаметром 1,2 микрометра, что составляет всего одну сотую ширины среднего человеческого волоса. Они состоят из двух слоев графена — двух слоев атомов углерода, которые лежат друг на друге как блины. Их электроны свободно движутся в материале и могут подвергаться воздействию электромагнитных полей.

Рабочая группа профессора доктора Мартина Миттендорфа из экспериментальной физики Университета Дуйсбург-Эссен (UDE) уже много лет исследует волны в электронных системах, так называемых плазмонах, в Центре совместных исследований 1242. В этом случае команда использовала терагерцовое (ТГц) излучение с круговой поляризацией в инфракрасном диапазоне для возбуждения электронов. «Вы можете представить листы графена как ведра, наполненные водой — электронами», — объясняет Миттендорф. «Если пошевелить внутреннюю часть ведра палкой, начнут образовываться круговые токи».

Проф. д-р. Мартин Миттендорф стоит за экспериментальной установкой.
Фото: UDE/Андреас Райхерт

По аналогии, носители заряда, возбуждаемые ТГц-излучением в форме штопора, движутся по дискам по кругу и, таким образом, действуют как крошечные электромагниты. В ходе эксперимента генерировались магнитные поля величиной 0,5 Тесла; это примерно в 10 000 раз превышает магнитное поле Земли. Частоту плазмона можно регулировать диаметром графенового диска. По своему эффекту крошечные диски сравнимы с сильными постоянными магнитами, но включить или выключить их можно за пикосекунды, то есть за триллионную долю секунды.

Хотя эксперименты являются фундаментальными исследованиями, у них есть реальные потенциальные применения: используя графеновые диски, физики разработали оптически переключаемые магнитные поля, которые можно использовать для воздействия на другие материалы, находящиеся поблизости. Например, в квантовых точках, освещающих экраны, можно регулировать цвет света. Что касается магнитокалорических материалов, то они меняют свою температуру в зависимости от приложенного магнитного поля.

Эта публикация является результатом сотрудничества рабочей группы Миттендорфа с национальными и международными партнерами: графеновые диски были изготовлены в Университете Мэриленда (США), а измерения проводились в Центре имени Гельмгольца в Дрездене-Россендорфе.