据《科学日报》（ScienceDaily）2012年5月30日报道，自从2004年发现石墨烯以来，石墨烯就一直备受众多科学家的关注。“物理学家创石墨烯太阳能电池效率新纪录”的博文已经有3000多人次浏览，也可以反映出大家的关注程度。因为厚度仅有一个原子那么厚,形状如同蜂巢一样的石墨烯材料，拥有多种优越的特性，使机械韧性与卓越的导电和导热性融为一体。但是，

美国爱荷华州立大学（Iowa State University）物理学家王继刚（音译Jigang Wang）领导的一组科学家经过研究发现，石墨烯有两种可以应用于高速通讯设备和激光技术的其他属性, 即电子粒子数反转和宽带光增益。

王继刚是爱荷华州立大学文理学院物理和天文学系的一名助理教授，也是美国能源部艾姆斯国家实验室（Department of Energy's Ames Laboratory）的一名助理科学家。王继刚带领的团队将极短激光脉冲闪光式照射在石墨烯上，研究人员立即发现了一种由电子宽带粒子数反转表征的新光激（photo-excited）石墨烯态。在正常情况下,大多数电子将占居低能态，而处于高能态的电子数可以说是寥寥无几。在粒子数反转态，这情况正好相反:更多的电子填充在更高能态,而不是更低能态。在自然界这样的粒子数反转态是非常罕见的，而且可以拥有高度不寻常的特性。在石墨烯中,这种新状态从红外光区到可见光区都可以产生光增益，所谓光增益是指输出功率与输入功率之比，意味着输出光功率远远超出了输入光功率。这种情况只会发生在当增益介质是外部泵入时,然后由光受激发射。王继刚的发现可能为电信行业的高效放大器以及极快的光电设备研发另辟蹊径，使石墨烯作为光放大的增益介质。王继刚谈到此事，“这是非常令人兴奋的，它打开了利用石墨烯作为光放大增益介质的可能性，可以用于制造宽带光放大器或高速电信调节器，甚至为石墨烯激光器的开发提供了新思路。”

王继刚研究小组2012年4月16日在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志发表了他们的研究结果。

王继刚是爱荷华州和艾姆斯国家实验室凝聚态物理项目组的成员，他和他的研究团队使用激光光谱技术进行光学实验,激光从可见光到中红外和远红外光谱。他们使用的超短激光脉冲直到千万亿分之十秒来研究纳米科学世界及相关电子材料。2004年英国研究人员安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）发现了石墨烯,这导致他们赢得了2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯是一种二维材料，具有越来越多被人们已经认知的独特属性，单层石墨烯仅有一个碳原子那么厚，碳原子以六角形晶格链接在一起,看起来就像一个蜂巢。尽管缺乏大块的,但是石墨烯比钢铁更强硬,导电性可以与铜相比美，导热性比铜更好；而且具有良好的柔韧性，几乎是全透明的。但是，在研究石墨烯电学性质的科学界与研究其光学性质的科学界之间存在一个理解鸿沟，王继刚研究小组的研究成果，可以通过阐述石墨烯的非线性光学性质和理解石墨烯的非平衡电子态，在这条鸿沟之间架起一座桥梁。王继刚解释说,线性光学特性仅传输光，即一个光信号进入一种物质，再输出一个光信号来。而非线性属性可以改变和调整光信号,而不只是传递光信号。

高度非线性态的石墨烯

王继刚说其他科学家已经研究了石墨烯的光学特性,但主要是在线性体系。他的团队假设他们可以生成一种新的、“极其非常规状态”的石墨烯，导致粒子数反转和光学增益。我们是第一批开路的先锋，开始研究高度非线性态，即由极密电子组成的处于高激发态，此态石墨烯具有独特的性质。

王继刚研究小组与艾姆斯国家实验室的有关人员合作，着手研究高质量的石墨烯单层增长。研究人员用一种短脉冲激光快速（仅35飞秒）“激发”材料的电子，通过光诱导电子态的测量, 王继刚研究小组发现, 当泵入的脉冲能量增加到高于阈值时，石墨烯层的光学传导性(或吸收性)从正到负有所变化，导致光增益。结果表明,在光激发石墨烯中显示出粒子数反转状态，使发射光功率大于其吸收光功率。吸收是负面的。这意味粒子数反转确实是建立了激发石墨烯，使其出现光增益现象。实验结果显示单层仅有一个原子那么厚时，发射光涨幅约为1%,在相同的数量级，传统的半导体光放大器则需要厚数百倍。当然，实验的关键就是创建通常在热平衡状态下不存在的高度非线性态, 不能简单地把石墨烯置于光照下并进行研究。必须真用极速的激光脉冲激发电子，具有达到此态阈值行为的相关知识，才有进行研究的可能。石墨烯在激光器和光纤通信中的应用尚未实现之前，依然有大量的工程和材料有待完善,但是这项研究清楚地表明,石墨烯可能产生更加明亮之光，更加光辉灿烂的未来即将到来。

更多信息请浏览：

http://doc.sciencenet.cn/DocInfo.aspx?id=11548

http://www.redorbit.com/news/science/1112545810/new-properties-of-the-carbon-material-graphene-found/

We show that strongly photoexcited graphene monolayers with 35 fs pulses quasi-instantaneously build up a broadband, inverted Dirac fermion population. Optical gain emerges and directly manifests itself via a negative conductivity at the near-infrared region for the first 200 fs, where stimulated emission completely compensates absorption loss in the graphene layer. Our experiment-theory comparison with two distinct electron and hole chemical potentials reproduce absorption saturation and gain at 40 fs, revealing, particularly, the evolution of the transient state from a hot classical gas to a dense quantum fluid with increasing the photoexcitation.