石墨烯是有史以來最薄的材料，只有一個(gè)原子層的厚度。它比十億分之一米薄，能夠通過其電荷載流子的光激發(fā)有效地吸收從可見光到紅外線的光。光吸收后，其光激發(fā)電荷載流子在幾皮秒內(nèi)冷卻到初始平衡狀態(tài)，相當(dāng)于百萬分之一秒。這種弛豫過程的驚人速度使石墨烯在許多技術(shù)應(yīng)用中特別有前途，包括光探測(cè)器、光源和調(diào)制器。

石墨烯電荷載流子位于由狄拉克錐表示的不同能級(jí)上，根據(jù)電荷載流子的數(shù)量，這些電荷載流子被占據(jù)到中性點(diǎn)（左錐上的藍(lán)色能級(jí)）或完全進(jìn)入導(dǎo)帶（藍(lán)色能級(jí)在右錐）。在這兩種情況下，光激發(fā)的電荷載流子以更快（左側(cè)）或更慢（右側(cè)）的動(dòng)力學(xué)弛豫。來源：米蘭理工大學(xué)-CNR

最近發(fā)表在ACS Nano上的一項(xiàng)研究表明，通過施加外部電場(chǎng)可以顯著改變石墨烯電荷載流子的弛豫時(shí)間。該研究是在CNR-IFN、米蘭理工大學(xué)、比薩大學(xué)、劍橋石墨烯中心（英國(guó)）和巴塞羅那（西班牙）的 ICN2 之間的國(guó)際合作中構(gòu)思的。

該工作的第一作者Eva Pogna 說，我們觀察到的石墨烯中電荷載流子弛豫時(shí)間的變化，證明了對(duì)晶體光學(xué)響應(yīng)的前所未有的控制水平，并允許使用單一材料獲得各種各樣的行為。

這項(xiàng)工作為開發(fā)利用電荷載流子的弛豫時(shí)間控制以支持新功能的設(shè)備鋪平了道路。例如，如果將石墨烯用作激光腔中的可飽和吸收體以產(chǎn)生超短光脈沖，通過改變電荷載流子的弛豫時(shí)間，我們可以控制輸出脈沖的持續(xù)時(shí)間。

我們用于研究石墨烯的特定設(shè)備被證明對(duì)于觀察其光學(xué)特性與外部電場(chǎng)的強(qiáng)可調(diào)性至關(guān)重要，它允許通過利用離子液體門控在寬范圍內(nèi)改變電荷載流子的數(shù)量，這是一種用于研究超導(dǎo)體的最先進(jìn)技術(shù)。劍橋石墨烯中心主任 Andrea Ferrari 解釋道。

已經(jīng)通過超快光譜學(xué)研究了基于石墨烯的器件，這允許監(jiān)測(cè)電荷載流子的弛豫時(shí)間的變化。

這項(xiàng)工作代表了長(zhǎng)期研究合作的最新進(jìn)展，該合作致力于研究石墨烯中的超快載流子動(dòng)力學(xué)，旨在探索這種迷人材料的巨大潛力。超快動(dòng)力學(xué)負(fù)責(zé)人 Klaas-Jan Tielrooij 補(bǔ)充道在 ICN2 的納米系統(tǒng)組。

這一發(fā)現(xiàn)對(duì)許多技術(shù)應(yīng)用都很感興趣，從光子學(xué)、脈沖激光源或防止光學(xué)元件損壞的光學(xué)限制器到電信、超快探測(cè)器和調(diào)制器。米蘭理工大學(xué)物理學(xué)系教授Giulio Cerullo 總結(jié)道。