石墨烯被譽為有史以來最薄、最強、導電性最強的材料之一，現在似乎又獲得了一項驚人的特性。實驗表明，它可以用來產生任何顏色的超短雷射脈衝，因為它能夠吸收各種波長的光。
這一發現可能有助於研究人員製造小型、廉價且高度通用的超短脈衝雷射器，其潛在應用範圍從微型機械到醫學。
傳統的超短脈衝雷射器使用一種像海綿一樣吸收光，然後以快速脈衝釋放回來的材料，通常持續飛秒（一飛秒是 10−15 秒，或十億分之一秒的百萬分之一）。倫敦帝國理工學院的物理學家羅伊·泰勒說，這些“可飽和吸收體”僅在特定波長下起作用。諸如監測大氣中汙染物之類的應用需要使用多種波長來檢測各種分子，因此需要多個單獨的雷射器。
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2009年，英國劍橋大學的物理學家安德里亞·法拉利和他的合作者首次表明，石墨烯——一種原子排列成類似雞絲網的六邊形的單原子厚碳片——可以在紅外光譜中充當光海綿。最近，泰勒、法拉利以及來自英國和瑞士的同事們已經誘導這種材料產生持續數十飛秒的紅外輻射脈衝。
現在，研究人員改進了他們的裝置，以產生廣泛的紅外波長，這些波長在光纖通訊等應用中很有用。此外，法拉利說，他們的結果，加上石墨烯的已知特性，表明該材料應該也能夠在整個可見光譜上產生類似的超短脈衝。該團隊的最新結果將在6月在加利福尼亞州聖何塞舉行的雷射和光電學會議上報告。
開-關開關
石墨烯吸收任何顏色光的能力來自於其電子能級的特殊結構。在典型的固體非金屬材料中，電子可以存在於低能態（它們與原子結合），也可以存在於高能態（它們能夠在周圍移動並攜帶電流）。在這兩種狀態之間存在一個“帶隙”，需要一定的能量才能跨越。如果材料吸收具有特定能量的光（這意味著特定波長），則電子可以跨越帶隙。在用於製造計算機晶片中電晶體的半導體材料中，電子跳過帶隙將電流從“關”切換為“開”。
相比之下，在石墨烯中，沒有帶隙，並且電子的能量可以沿著連續體變化。首爾國立大學的物理學家Byung Hee Hong說，這使得單層石墨烯在電晶體中無用，但這賦予了該材料在光學方面的優勢，使其能夠吸收各種波長的光。
“通常，不同的波長需要不同的材料，而且沒有多少[傳統的]材料可以用於近紅外區域，”沒有參與這項新研究的洪說。
洪補充說，石墨烯在化學和機械方面也足夠穩定，可以防止強雷射束的熱損傷。而且，基於石墨烯的超短脈衝雷射器的一個主要優點是，這些裝置可以像鉛筆一樣小，使其通用且易於使用。
本文經《自然》雜誌許可轉載。 該文章於 2013 年 5 月 24 日首次發表。