Feng Wang bên cạnh biểu đồ thể hiện việc hạ thấp năng lượng Fermi làm loại trừ các đường dẫn lượng tử ở graphene như thế nào (góc dưới bên trái). Đồ thị phía trên thể hiện khi các đường dẫn lượng tử giao thoa triệt tiêu bị chặn mất, thì cường độ tán xạ Raman tăng lên nhiều (hàng rào đứng màu xanh, kí hiệu G). Với sự tán xạ tương tự, và ở những giá trị đặc biệt của năng lượng Fermi, đồ thị thể hiện “sự phát xạ electron nóng” (kí hiệu HL).
Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley và trường Đại học California ở Mĩ vừa đề xuất một kĩ thuật mới điều khiển phương thức ánh sáng tán xạ trong graphene. Họ cho biết đột phá trên có thể giúp làm sáng tỏ thêm thông tin về cấu trúc của “chất liệu thần kì” và có thể dẫn tới sự phát triển của những dụng cụ nano như các bộ cảm biến y khoa.
Kĩ thuật trên sử dụng quang phổ học tán xạ ánh sáng phi đàn hồi. Nó yêu cầu chiếu ánh sáng laser lên trên một chất liệu để thu nhặt thông tin về phần bên trong từ những chuyển tiếp lượng tử trong đó. Các photon đi tới mẫu trước tiên kích thích một tập hợp những trạng thái điện tử trung gian, tạo ra các phonon (dao động của mạng tinh thể) và cái gọi là các photon chuyển dịch năng lượng (những photon có năng lượng cao hơn hoặc thấp hơn năng lượng của photon tới). Do đó, những kích thích điện tử trung gian ấy giữ vai trò quan trọng là đường dẫn lượng tử trong sự tán xạ ánh sáng phi đàn hồi.
Feng Wang ở Berkeley và các đồng sự lần đầu tiên đã quan sát thấy sự giao thoa lượng tử trong sự tán xạ Raman của ánh sáng – một dạng tán xạ ánh sáng phi đàn hồi – từ graphene. Các nhà nghiên cứu chứng tỏ được rằng sự phát xạ ánh sáng từ graphene có thể điều khiển bằng cách thao tác với các đường dẫn giao thoa nhờ cấu trúc điện tử độc nhất vô nhị của chất liệu trên. Những đường dẫn đó là những trạng thái kích thích bị quang kích thích bởi các photon tới và những kích thích đó chỉ có thể xảy ra nếu như những trạng thái điện tử ban đầu đã được lấp đầy (bởi một hạt như electron chẳng hạn) và những trạng thái điện tử cuối (chúng nằm trên mức Fermi) là còn trống.
“Chúng tôi đã có thể điều khiển những đường dẫn kích thích trong graphene bằng cách pha tạp nó bằng phương pháp tĩnh điện – áp dụng điện áp để đưa về năng lượng Fermi và loại trừ các trạng thái có chọn lọc”, Wang nói. “Một điều bất ngờ với graphene là năng lượng Fermi của nó có thể bị chuyển dịch nhiều bậc độ lớn so với những vật liệu thông thường. Rốt cuộc thì đây có thể là do tính hai chiều của graphene và các dải điện tử bất thường của nó”.
Đội nghiên cứu đã thành công trong việc hạ thấp năng lượng Fermi của graphene bằng cách tráng lên chất liệu trên một chất gel ion đặc biệt chứa một chất lỏng dẫn mạnh trong một ma trận polymer. Điện tích ở graphene được điều chỉnh bằng cách thiết lập điện áp lên chất gel.
“Bằng cách điều chỉnh điện áp, chúng tôi đã làm giảm năng lượng Fermi của graphene, hệ quả là làm giải phóng những electron năng lượng cao hơn”, Wang giải thích. “Việc loại trừ các electron, từ những năng lượng cao nhất xuống, làm loại trừ hiệu quả các đường dẫn, mà khi bị va chạm bởi những photon tới, có thể hấp thụ chúng và sau đó phát ra các photon tán xạ Raman”.
Việc loại bỏ từng đường dẫn lượng tử một như thế này làm thay đổi cách thức chúng giao thoa. Những thay đổi này có thể xác định bằng cách đo cường độ tán xạ Raman phát ra bởi mẫu khi nó được chiếu sáng bằng một chùm ánh sáng laser hồng ngoại gần. Trong thí nghiệm của Wang và các đồng sự, cường độ đó thật sự tăng lên khi các đường dẫn kích thích bị loại bỏ, trái với cái được trông đợi từ vật lí cổ điển. Wang đã đặt tên cho hiện tượng mới quan sát thấy này là “một dấu hiệu chính cống của sự giao thoa lượng tử triệt tiêu”.
Nói ngắn gọn, nếu như các đường dẫn năng lượng thấp hơn hoặc cao hơn giao thoa triệu tiêu nhau ở graphene thì việc loại bỏ một trong hai làm tăng độ sáng của ánh sáng phát ra.
Đội khoa học cũng đã phát hiện ra cái gọi là “sự phát xạ electron nóng” có cường độ mạnh hơn 100 lần so với tán xạ Raman. Ánh sáng phát xạ này có nguồn gốc từ những electron kích thích nhảy lên những dải chưa được lấp đầu trong mẫu, nơi năng lượng Fermi của graphene đã hạ thấp. Những electron nóng này chỉ có thể rơi trở xuống những dải năng lượng thấp hơn nếu chúng phát xa một photon có tần số thích hợp.
Việc có thể điều khiển sự tán xạ ánh sáng phi đàn hồi theo kiểu này có thể dẫn tới những sự tán xạ ánh sáng phi đàn hồi tối ưu hóa ở những chất liệu nano dùng cho các bộ sinh cảm biến và các ứng dụng quang điện tử. Nó cũng có thể là một công cụ hữu hiệu để khảo sát cơ sở vật lí mới lạ ở cấp độ nano đối với graphene, và cả những chất liệu khác nữa. “Như thế hiện tượng phát xạ electron nóng cũng có thể trở thành một công cụ nghiên cứu có giá trị”, Wang cho biết thêm, “đặc biệt cho sự nghiên cứu động lực học electron cực nhanh, một trong những đặc điểm khác thường chính của graphene”.
Nghiên cứu này công bố trên tạp chí Nature.
Nguồn: physicsworld.com
