
2004 yılında keşfedilen ve 2010 yılında Nobel Fizik Ödülü’nü getiren grafen malzemesi gelecek vaad edici özelliğini sürdürüyor. Artık bilindiği gibi, grafen malzemesi bir karbon atomu kalınlığı ve bal peteği örgüsü gibi özelliklere sahiptir. Başka bir özelliği ki bu özellik eşsiz diyebileceğimiz bir band yapısına sahip olmasıdır. İşte grafenin bu band yapısı elektromanyetik spektrumun görünür bölgesinden kızılötesine kadar olan geniş bir spektrum aralığında fotonlara duyarlıdır ve optoelektronik aygıtlar için önemli olan bandlar arası geçiş verimliliği de iyi derecededir.
Grafenin böylesine bir spektruma uygun olması fotonik çalışmalarına olan uygunluğunu da gösterir. Çünkü fotonikte tıpkı elektronikte elektronların kullanılması gibi fotonlara dayalı bir teknoloji alanıdır. Grafenin eşsiz band yapısı da bandlar arası geçiş verimliliği ile fotonikte yeni nesil çalışmalara olanak tanıyabilir.
Grafene dayanan ultra hızlı fotonik, ultra hızlı fotonik teknolojisinin çeşitli alanlarında hızla yükselen bir değer olarak göze çarpmaktadır. Bu hızlı yükselişe ultra hızlı grafen fotodedektörü (500 GHz’i aşan bandgenişliği ile -gigahertz, giga milyara karşılık gelir hertz de saniyedeki devir sayısı olan frekansın birimidir; bu anlamda saniyede 500 milyarlık devirden söz etmiş oluyoruz-), genişband grafen optik modülatör, genişband grafen kutuplayıcı/polarizör olarak örnekler gösterilebilir. Bu örneklerden de anlaşılacağı gibi, grafen malzemesini geniş band fotonik için yararlı özellikler gösteren bir malzeme olarak görebiliriz. Özellikle grafendeki optik doyurulabilir absorpsiyonu yani grafenin optik soğurması ışık şiddetinin artması ile azalmaktadır ve grafen bir eşik güce ulaşan ışık şiddeti ile doyuma uğrar. Bu ise Pauli’nin Dışarlama İlkesi’nden doğan Pauli engelleme ilkesinin sonucudur. Sonuç itibariyle bu doyumdan dolayı, 1 mikrometreden 10.6 mikrometreye olan bir elektromanyetik spektrum aralığındaki çeşitli dalgaboylarında çalışabilen ultra hızlı laserların farklı türlerinin üretilmesinde grafen oldukça uygun bir malzeme olarak karşımıza çıkar.
Şİmdi Çin’de Hunan Üniversitesi Fizik ve Mikroelektronik Bilimi Bölümü’nden Profesör Han Zhang ve Shuangchun Wen liderliğindeki bir grafen fotonik araştırma grubu grafenin mikrodalga ve terahertz (trilyon kere devir) doyurulabilir absorpsiyonunu ilk kez deneysel olarak geliştirdiler. Bulgularını ise Optics Express dergisinde yayınladılar.
Bu deneyde, araştırmacılar düşük band THz dalga olarak da bilinen 100 GHz civarında mikrodalga sinyali üretmek amacıyla bir optik frekans çoğaltma tekniği uyguladılar. Bu milimetre dalga üretildi, yükseltildi ve bir uzak bir anten tarafından iletildi. Grafen numunelerine ulaştıktan sonra bir Terahertz dedektörü tarafından algılandı. Çıkış mikrodalga gücünü ayarlayabilen optik zayıflatıcı tarafından ayarlanarak, grafendeki mikrodalga geçirgenliği çeşitli mikrodalga güçleri altında ölçülebilir.
Bu yazıda deneyden ziyade sonuçları hakkında bahsedeceğim ve bu deney optik banttan mikrodalga bandına grafenin genişband doyurulabilir absorpsiyonunu geliştirmiş olduğunu ifade etmeliyim. Bu çok yeni bir mikrodalga özelliğine dayandırıldığında Zhang ve Wen’in ifadelerine göre grafenin mikrodalga fotoniğinde potensiyel uygulamalara sahip olabileceğini onlar öngörmektedirler.
Deneyin sonuçlarına göre grafenden yeni mikrodalga aygıtlar yapılabilir:
- Grafenin optik doyurulabilir absorpsiyon özelliği gibi kilitli-mod veya maserin (maser genliği yükseltilmiş elektromanyetik dalga olarak ifade edilebilir) Q-anahtarlanması indüklü bir grafen doyurulabilir soğurucu
- Grafen temelli genişband optik modülatörler gibi modülasyon seviyelerinin grafenin Fermi seviyesi ayarlanarak elle kontrol edilebildiği bir grafen mikrodalga modülatör
- Mikrodalga ile grafen katmanların doğrusal olmayan bir şekilde etkileşmesinden mikrodalga bandında bir genişband grafen kutuplayıcı
Bu mikrodalga fotonik aygıtlar üzerine grafenin olası avantajlarını Çinli araştırma grubu şöyle özetlemektedir:
- Kimyasal işlevselleştirme aracılığıyla veya grafen katmanlarının sayısının kontrol edilmesi aracılığıyla ayarlanabilir doğrusal olmayan mikrodalga özellik
- Milimetre ölçeğinde grafen kalıplar yapmak için gerekli olan araçlar
- Grafenin iki boyutlu düz tabaka yapısı grafen yüzeyi boyunca veya grafen yüzeyine dik bir şekilde mikrodalgaları çoğaltmayı mümkün kılar
- Grafendeki küçün enerji band aralığı da mikrodalga ve Terahertz fotoniğinin foton enerjisi ile uyumludur
- Frekansı ayarlanabilir mikrodalga bandında kilitli-modu evrensel doyurulabilir absorpsiyon özelliği ile grafen sağlayabilir.
Yine de günümüzde mikrodalga fotoniğine ilişkin grafen araştırmaları çok sınırlı. Hatta bu araştırma grubuna göre grafende mikrodalga fotoniğinin başlangıç noktasındayız. Grafenin band yapısındaki küçük band aralığı ve sayısız Dirac noktaları grafeni bu mikrodalga fotoniği için doğal olarak uygun bir malzeme konumuna getiriyor. Fakat, grafen çalışılması zor bir malzeme ve geniş ölçekte üretilmesi gerekiyor. Bununla ilgili iyi gelişmeler olsa da yeterli değil. Gün geçtikçe bazı araştırmacılar arasında grafen çalışmalarını üretime yönelik çalışmalardansa akademik egzersiz olarak niteleyenler de olmakta. Yıllar sonra geriye bakıldığında kuşkusuz grafenin bazı alanlarda verdiği potansiyeli karşılamayacağı söylenebilir ama mikrodalga fotoniği gibi alanlarda grafen malzemesinin potansiyelini sağlayabileceğini söyleyebilirim. İşte bu potansiyele ilişkin olarak gelecekte grafenin uydu haberleşmesi, radar, sensör ağları, geniş band kablosuz ağ uygulamalarında büyük değişikliklere açacağını öngörmek hiç de hayalperest bir yaklaşım olmaz. Göreceğiz ki, on yıllık bir süreç sonunda grafen malzemesi sayesinde günümüzden daha farklı bir hayatı karşılayacağız.
Gökhan Atmaca, MSc twitter.com/kuarkatmaca | facebook.com/anadoluca
Kaynak: http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=26868.php