Nanotechnologie-onderzoekers die kleine bundels koolstofnanobuisjes bestuderen, hebben een optische signatuur ontdekt die laat zien dat excitonen die aan een enkele nanobuis zijn gebonden, vergezeld gaan van excitonen die tunnelen over nauw op elkaar inwerkende nanobuisjes. Die kwantumtunneling-actie zou de energiedistributie in koolstofnanobuisnetwerken kunnen beïnvloeden, met implicaties voor lichtemitterende films en toepassingen voor het oogsten van licht.

"Het observeren van dit gedrag in koolstofnanobuisjes suggereert dat er potentieel is om een ​​vergelijkbare reactie te detecteren en te beheersen in meer complexe, meerlagige halfgeleider- en halfgeleider-metaal heterostructuren, " zei Stephen Doorn, van het Center for Integrated Nanotechnologies in Los Alamos en een co-auteur van de studie, onlangs gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Koolstofnanobuisjes zijn cilinders van grafeen waarvan de atomen in zeshoeken zijn gerangschikt. Ze zijn van belang als nabij-infraroodlichtzenders en halfgeleidermaterialen op nanoschaal voor elektronica en opto-elektronica.

Excitonen dragen effectief energie in koolstofnanobuisjes als nauw verbonden paren van negatieve en positieve lading (elektronen en gaten). Excitons ontstaan ​​wanneer licht door het materiaal wordt geabsorbeerd. Interacties tussen individuele elementen van nanomaterialen kunnen aanleiding geven tot nieuwe opkomende gedragingen, zoals excitoncondensatie. Intertube-excitons van koolstofnanobuisjes - die excitonen die tussen buizen tunnelen - dragen bij aan het bereik van waargenomen excitongedrag.

In de studie, een gezamenlijk onderzoeksteam van het Los Alamos National Laboratory, het Center for Integrated Nanotechnologies en het National Institute of Standards and Technology toonden aan dat Raman-spectroscopie (een vorm van lichtverstrooiing) een uitgebreidere karakterisering van intertube-excitonen kan bieden. Het team gebruikte chemische scheidingen om een ​​monster van een enkel type koolstofnanobuisstructuur te isoleren. De nanobuisjes in deze monsters werden vervolgens gebundeld om interacties tussen individuele nanobuisjes te forceren.

Om de exciton-energieën van koolstof nanobuisjes te profileren, het team mat de intensiteit van Raman-verstrooid licht terwijl ze de golflengte van licht varieerden. Verrassend genoeg, het team vond een eerder onopgemerkt scherp kenmerk in het Raman-profiel van de gebundelde koolstofnanobuisjes. Dit onverwachte kenmerk werd niet gevonden voor niet-interagerende individuele koolstofnanobuisjes.

Theoretische analyse toonde aan dat de unieke pakkingsgeometrie die wordt geproduceerd in bundels die zijn samengesteld uit een enkele koolstofnanobuisstructuur, resulteert in ketens van nauw op elkaar inwerkende koolstofatomen. Deze ketens bevorderen de vorming van intertube-excitonen. Verdere analyse toonde aan dat de excitonen tussen de buisjes zelf niet kunnen interageren met licht op een manier die het scherpe kenmerk genereert. In plaats daarvan, een interactie tussen de intertube-excitonen en intratube-excitonen leidt tot een excitonverstrooiingsproces dat gepaard gaat met een kwantuminterferentie. Een dergelijke interferentie resulteert in een scherp asymmetrisch kenmerk dat bekend staat als een Fano-resonantie en die werd geïdentificeerd in de Raman-meting.

De bevindingen van het team generaliseren dit gedrag nu naar een nieuwe klasse van excitonrespons in koolstofnanobuisjes, wat suggereert dat dergelijk gedrag kan worden gevonden in een bredere klasse van 2-dimensionale kwantumcomposietmaterialen.