Grafene Laser

Un laser in grado di produrre luce con lunghezze d'onda regolabili a piacere in tutta la gamma c he va dagli infrarossi fino ai terahertz (tra gli infrarossi e le microonde) potrebbe essere realizzato grazie alla scoperta di un singolare effetto manifestato dal grafene quando è sottoposto a opportuni campi magnetici. La scoperta  è opera di fisici dell'Helmholtz-Zentrum a Dresden-Rossendorf, in Germania.
Già poco dopo la scoperta del grafene, avvenuta nel 2004 e premiata con il Nobel per la fisica nel 2010, gli scienziati avevano notato che quando questo materiale è immerso in un campo magnetico, i suoi stati di energia - noti come livelli di Landau - si comportano in modo del tutto anomalo.

Modello della ridistribuzione degli elettroni fra ii livelli di energia in base al processo di Auger identificato dai ricercatori nel grafene. (Cortesia HZDR/Voigt) Per studiare questo fenomeno, Stephan Winnerl e colleghi hanno immerso un campione di grafene, un reticolo di carbonio dallo spessore monoatomico, in un campo magnetico di quattro tesla. In questo modo, gli scienziati volevano forzare gli elettroni del materiale a occupare solo alcuni livelli energetici e non altri, per poi esaminare il movimento degli elettroni liberi presenti nel grafene con impulsi di luce laser usati come sonda. Quello che è avvenuto però ha sorpreso i ricercatori.
 
Grazie all'eccitazione fornita dagli impulsi laser, i livelli energetici che gli elettroni avrebbero dovuto occupare non si riempivano, anzi si svuotavano ulteriormente, mentre venivano occupati altri livelli, secondo un processo scoperto nel 1922 dal fisico Pierre Auger, ma che non si riteneva potesse essere così marcato e intenso.

Per visualizzare che cosa succede, spiega Winnerl, "immaginate una bibliotecaria [lo sperimentatore] che stia smistando dei libri [gli elettroni] su uno scaffale a tre ripiani [i diversi livelli di energia], spostando un libro alla volta dal ripiano più basso al ripiano centrale [grazie all'energia del fascio laser.
Suo figlio [il processo Auger], desideroso di mostrarsi utile, prende due libri dal ripiano intermedio, e ne mette uno sul ripiano più alto ma posa l'altro in basso. Presto il numero di libri sul ripiano centrale diminuisce, anche se questo è quello che sua madre voleva riempire."

Una volta scoperto questo fenomeno, i ricercatori ne hanno elaborato un modello teorico, verificato con successo in una serie di esperimenti in collaborazione con il Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses a Grenoble, in Francia, il Politecnico di Berlino, l'Università di Praga e il Georgia Institute of Technology di Atlanta.
Sulla base di questo modello, i ricercatori hanno appurato che variando intensità del campo magnetico e intensità del fascio laser usato come sonda è possibile ottenere altrettante distinte e specifiche configurazioni elettroniche.
A loro volta, queste specifiche configurazioni possono essere usate per generare l'emissione una radiazione laser della lungheza d'onda desiderata.