利用磁场或电场来控制红外线和太赫兹波的能力是物理学中一个巨大挑战，它可能彻底改变光电子、电信和医学诊断。之前理论预测石墨烯（一种由碳原子组成的单原子层）在磁场中不仅可以根据需要吸收太赫兹和红外光，还可以控制圆偏振的方向。瑞士日内瓦大学和曼彻斯特大学的研究人员成功地验证了这一理论，并取得了预期的结果，这项将发表在《自然纳米技术》上的研究表明：
科学家们发现了一种控制红外线和太赫兹波的有效方法。这也表明石墨烯正在“履行其最初的承诺”，并成为未来的材料，无论是在地球上还是在太空中。存在一类所谓的狄拉克材料，其中电子的行为就像它们没有质量一样，类似于光粒子，光子，狄拉克材料之一是石墨烯，一种排列成蜂窝状结构的单层碳原子，与用于制作铅笔的石墨有关。石墨烯和光之间的相互作用表明，这种材料可以用来控制红外线和太赫兹波。这将是光电子、安全、电信和医疗诊断领域向前迈出的一大步。
通过实验来支持旧理论
先前理论预测假设，如果将狄拉克材料置于磁场中，它将产生很强的回旋共振。当一个带电粒子在磁场中，它在一个圆形轨道上运动，并吸收轨道上的电磁能量，或回旋加速器的频率，例如它发生在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机。当粒子带电荷但没有质量时，比如石墨烯中的电子，光的吸收就会达到最大值！为了证明这种最大吸收率，物理学家们需要一种非常纯的石墨烯，这样长距离运动的电子就不会分散在杂质或晶体缺陷上。
但这种纯度和晶格顺序很难获得，只有当石墨烯被封装在另一种二维材料——氮化硼中时才能获得。UNIGE的研究人员与曼彻斯特大学Andre geim领导的研究小组合作，开发了极其纯净的石墨烯样品。Andre geim是诺贝尔物理学奖得主，因为发现了石墨烯，这些样品对于这种石墨烯来说非常大，但是太小，无法用成熟的技术来量化回旋共振。这就是为什么日内瓦的研究人员建立了一个特殊的实验装置，将红外线和太赫兹辐射集中在磁场中纯石墨烯的小样本上，实验结果证实了理论预测。
按需控制
结果首次证明，如果使用一层纯石墨烯，确实会产生巨大的磁光效应。目前，红外光最大可能的磁吸收是在单原子层中实现。此外，物理学家发现，可以选择哪一种圆偏振（左旋还是右旋）应该被吸收。天然或本征石墨烯是电中性的，能吸收所有光线，无论其极化程度如何。但是如果引入带电载体，无论是正极还是负极，都可以选择哪一种极化被吸收，这在红外波段和太赫兹波段都是有效的。
这种能力发挥着至关重要的作用，特别是在制药行业，某些关键药物分子与光的相互作用取决于偏振方向。有趣的是，这种控制被认为有希望在系外行星上寻找生命，因为可以观察到生物物质固有的分子手性特征。最后，物理学家们发现，要观察太赫兹范围内的强效应，只需施加磁场就足够了，而廉价的永磁体已经可以产生磁场。现在这一理论已经得到证实，研究人员将继续研究可调磁源以及太赫兹和红外光探测器。
博科园｜研究/来自：日内瓦大学
参考期刊《自然纳米技术》
DOI: 10.1038/s41565-019-0489-8
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