Ein Graphen-Laser könnte bisher nur indirekt zugängliche Terahertz-Pulse abgeben
Im Graphen ist der verbotene Energiebereich allerdings verschwindend klein. „Trotzdem verhalten sich die Elektronen im Graphen ähnlich wie in einem klassischen Halbleiter“, sagt Isabella Gierz. Graphen sei gewissermaßen ein Halbleiter, dessen Bandlücke Null betrage. Da ihm eine echte Bandlücke fehlt, bleibt die Besetzungsinversion im Graphen nur für etwa 100 Femtosekunden, also weniger als eine Billionstel Sekunde, aufrecht erhalten. „Daher lässt sich Graphen nicht für kontinuierlich strahlende Laser nutzen, wohl aber für ultrakurze Laserpulse“, erklärt Gierz.
Ein solcher Graphen-Laser wäre vor allem für die Forschung interessant. Denn er würde Laserlicht mit besonders langen Wellenlängen verstärken, sogenannte Terahertz-Strahlung. Solches Laserlicht könnte in der Grundlagenforschung etwa dazu dienen, Hochtemperatur-Supraleiter zu erforschen. Bislang wird Terahertz-Strahlung durch vergleichsweise ineffiziente, sogenannte nichtlineare, optische Prozesse erzeugt. Außerdem wird der zugängliche Wellenlängenbereich durch das verwendete nichtlineare Material häufig stark eingeschränkt. Mit Graphen, das zeigen die jetzigen Ergebnisse, wäre eine breitbandige Verstärkung beliebig großer Wellenlängen möglich.
In einer anderen Hinsicht haben die Hamburger Forscher jedoch den Hoffnungen, die Materialwissenschaftler in Graphen setzten, einen Dämpfer verpasst. Graphen eignet sich nämlich offenbar nicht, um in Solarzellen Strom aus Licht zu erzeugen. „Unsere Messungen haben gezeigt, dass ein einzelnes Photon im Graphen nicht wie erwartet mehrere Elektronen freisetzen kann“, sagt Gierz. Dies wäre eine Voraussetzung für eine effiziente Energieumwandlung von Licht zu Strom.
Folgt: Aus Siliziumcarbid lässt sich Graphen auch für Laser herstellen