Senest har forskerne påvist, at grafen også kan absorbere lys nær det infrarøde område, hvis flagerne af nanostruktureret grafen kan gøres tilstrækkeligt små, det vil sige omkring 10 nanometer i diameter. Ud over, at det måske kan vise sig at bane vejen for en helt ny type optiske strukturer og integrerede optiske kredsløb til telekommunikation, bryder det med de hidtidige forståelser af materialet, lysets brydning og størrelsens betydning. Foto: DTU

Millioner til forskning der udfordrer fysikkens love

tirsdag 21 feb 17
|
af Tom Nervil

Kontakt

Antti-Pekka Jauho
Professor
DTU Nanotech
45 25 63 35

Danmarks Grundforskningsfond

Uddeler årligt 400 mio. kr. til forskningscentre på højeste internationale niveau – såkaldte Centers of Excellence. Det svarer til cirka to procent af de samlede offentlige forskningsmidler. Visionen er at støtte og fremme forskning, der er banebrydende. Forskning, der kan ende med at gøre en forskel for måden, vi lever og tænker på.
Center for Nanostruktureret Grafen fortsætter i yderligere fire år takket været en ny bevilling fra Danmarks Grundforskningsfond.

Elektrodynamikkens teoretiske grundlag, som er udtrykt i Maxwells ligninger, bliver i disse år udfordret af forskere fra DTU. På Center for Nanostruktureret Grafen (CNG) bliver de forståelsesmæssige hegnspæle flyttet dybere ind i nanoland i takt med den tekniske formåen, og denne grundforskning er sikret frem til 2022 takket være en ny bevilling fra Danmarks Grundforskningsfond.

Det er pionerarbejde at udforske universets mindste elementer og mødet mellem klassisk elektrodynamik og kvantefysik. Søren-Peter Olesen, der er direktør for Danmarks Grundforskningsfond, har da også forventninger om, at centeret fortsat vil levere forskning på et højt internationalt niveau.

Store visioner 

”CNG har de første fem år vist, at de har kunnet skabe et grundforskningscenter, der kan levere varen, og de har store visioner for den næste periode. Derfor er bevillingen blevet forlænget med yderligere fire år. Det er ikke nok, at forskningen er førende i Danmark, den skal kunne måle sig med hele verden. Det er et klart kriterium for at kunne modtage bevillingen, som til gengæld kan anvendes meget frit,” fortæller Søren-Peter Olesen.

Over de næste år har forskere fra CNG altså mulighed for at ruske yderligere op i erkendelsen af, hvordan verden hænger sammen, når det udforskede er tilstrækkelig småt. Centerleder Antti-Pekka Jauho, der også er professor på DTU Nanotech, er selvsagt begejstret:

”I løbet af de næste fire år vil vi kunne stable forskellige 2D-stukturer oven på hinanden, så vi kan bygge helt nye materialer. Idéen kommer fra Nobelprisvinderne fra 2010 Andre Geim og Kostya Novoselov, men vi har vores egne tricks og egen ekspertise, så vi kommer til at lave nogle originale systemer.”

Et ganske særligt stof

CNG har samlet forskere fra forskellige discipliner, som udforsker mulighederne med grafen, der består af kulstofatomer bundet sammen i et lag, der kun er ét atom tykt. Det består udelukkende af kulstofatomer i et sekskantet gitter, hvilket giver stoffet nogle helt særlige egenskaber. Det er f.eks. stærkere end stål og leder elektrisk strøm bedre end kobber.

Til trods for, at stoffet er så tyndt som ét atom, viser det sig, at det kan absorbere op imod 50 procent af lyset ved bestemte frekvenser. En så høj absorption kræver dog en nøje udført nanostrukturering.

Senest har forskerne påvist, at grafen også kan absorbere lys nær det infrarøde område, hvis flagerne af nanostruktureret grafen kan gøres tilstrækkeligt små, det vil sige omkring 10 nanometer i diameter. Ud over, at det måske kan vise sig at bane vejen for en helt ny type optiske strukturer og integrerede optiske kredsløb til telekommunikation, bryder det med de hidtidige forståelser af materialet, lysets brydning og størrelsens betydning.

Meget tyder på, at det kræver mere end klassisk indsigt at forstå strukturernes optiske egenskaber. Det er endnu en bøjning af fysikkens rammer og et skridt mod nye erkendelser af, hvordan nanoverden er skruet sammen. Den slags erkendelser kommer man sjældent sovende til.

Professor N. Asger Mortensen, der er tilknyttet CNG og forsker i lysets vekselvirkning med nanostrukturer, har de seneste fem år undersøgt, hvordan grafen absorberer lys.

”Min første interesse blev tændt, da det blev åbenbart, at grafen, der altså kun et ét atom tykt, kunne skabe skygge – eller absorbere to procent af lyset. Det var hidtil uset,” fortæller N. Asger Mortensen. Den slags undren og nysgerrighed er grundforskerens drivkraft. Allerede i 2014 lykkedes det da også N. Asger Mortensen at få tilføjet justeringer til Maxwells over 150 år gamle ligninger og anvendelsen af Ohms lov til beskrivelsen af elektrodynamik i metalliske nanostrukturer.

”Det er korrektioner af den klassiske elektrodynamik, som inkluderer nogle af de kvantemekaniske effekter, der uvilkårligt vil være, når man går til mindre og mindre strukturer,” fortæller N. Asger Mortensen.

Huller i teorien

Antti-Pekka Jauho peger på vigtigheden af at kunne samle de bedste hjerner i et forskningscenter. 

”De små grafendisks er lavet af vores egne polymerkemikere, hvis eksistens og kunnen N. Asger Mortensen ikke havde kendt til uden CNG. Og polymerkemikerne ville ikke have vidst, at deres teknikker kan bruges til at nanostrukturere grafen, hvis ikke jeg i 2010 havde bedt dem tilslutte sig CNG,” siger Antti-Pekka Jauho.

Med grafendisks på 18 nanometer i diameter kan materialet således absorbere lys tæt på det infrarøde spekter, men eksperimenterne har også bragt nye udfordringer til den teoretiske forståelse – de klassiske beskrivelser kan kun delvist redegøre for de observerede resonansfrekvenser. Det er den slags opdagelser, der ifølge Antti-Pekka Jauho giver brændstof til den videre grundforskning.

Relaterede Videoer  

Vis flere