Een nieuw kwantumeffect waargenomen in een koolstof nanobuisfilm zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van unieke lasers en andere opto-elektronische apparaten, volgens wetenschappers van Rice University en Tokyo Metropolitan University.

Het Rice-Tokyo-team rapporteerde een vooruitgang in het vermogen om licht op kwantumschaal te manipuleren door enkelwandige koolstofnanobuizen te gebruiken als plasmonische kwantumopsluitingsvelden.

Het fenomeen dat werd gevonden in het Rice-lab van natuurkundige Junichiro Kono zou de sleutel kunnen zijn tot de ontwikkeling van opto-elektronische apparaten zoals nanoschaal, nabij-infraroodlasers die continue bundels uitzenden op golflengten die te kort zijn om door de huidige technologie te worden geproduceerd.

Het nieuwe onderzoek is gedetailleerd in Natuurcommunicatie .

Het project kwam samen in de nasleep van de ontdekking door de Kono-groep van een manier om koolstofnanobuisjes in wafelformaat films zeer strak op één lijn te brengen. Deze films maakten experimenten mogelijk die veel te moeilijk waren om uit te voeren op enkele of verwarde aggregaten van nanobuisjes en trokken de aandacht van de Tokyo Metropolitan-fysicus Kazuhiro Yanagi, die de fysica van de gecondenseerde materie in nanomaterialen bestudeert.

"Hij bracht de gating-techniek (die de dichtheid van elektronen in de nanobuisfilm regelt), en we zorgden voor de uitlijntechniek, "Zei Kono. "Voor de eerste keer waren we in staat om een ​​film met een groot oppervlak te maken van uitgelijnde nanobuisjes met een poort waarmee we een grote dichtheid aan vrije elektronen kunnen injecteren en verwijderen."

"De poorttechniek is erg interessant, maar de nanobuisjes waren willekeurig georiënteerd in de films die ik had gebruikt, " zei Yanagi. "Die situatie was erg frustrerend omdat ik geen nauwkeurige kennis kon krijgen van de eendimensionale kenmerken van nanobuisjes in dergelijke films, wat het belangrijkste is. De films die alleen door de Kono-groep kunnen worden geleverd, zijn geweldig omdat ze ons in staat hebben gesteld dit onderwerp aan te pakken."

Dankzij hun gecombineerde technologieën kunnen ze elektronen in nanobuisjes pompen die iets meer dan een nanometer breed zijn en ze vervolgens met gepolariseerd licht prikkelen. De breedte van de nanobuisjes sloot de elektronen op in kwantumputten, waarin de energie van atomen en subatomaire deeltjes is "beperkt" tot bepaalde toestanden, of subbanden.

Het licht bracht hen vervolgens ertoe om heel snel tussen de muren te oscilleren. Met voldoende elektronen, Kono zei, ze begonnen te werken als plasmonen.

"Plasmons zijn collectieve ladingsoscillaties in een besloten structuur, "zei hij. "Als je een bord hebt, een film, een lint, een deeltje of een bol en je verstoort het systeem (meestal met een lichtstraal), deze vrije dragers bewegen samen met een karakteristieke frequentie." Het effect wordt bepaald door het aantal elektronen en de grootte en vorm van het object.

Omdat de nanobuisjes in de Rice-experimenten zo dun waren, de energie tussen de gekwantiseerde subbanden was vergelijkbaar met de plasmonenergie, zei Kono. "Dit is het kwantumregime voor plasmonen, waarbij de intersubbandovergang het intersubbandplasmon wordt genoemd. Mensen hebben dit bestudeerd in kunstmatige halfgeleider kwantumbronnen in het zeer ver-infrarode golflengtebereik, maar dit is de eerste keer dat het is waargenomen in een natuurlijk voorkomend laagdimensionaal materiaal en op zo'n korte golflengte."

Het detecteren van een zeer gecompliceerde gate-spanningsafhankelijkheid in de plasmonische respons was een verrassing, net als zijn verschijning in zowel metalen als halfgeleidende enkelwandige nanobuisjes. "Door de basistheorie van licht-nanobuis-interacties te onderzoeken, konden we een formule afleiden voor de resonantie-energie, ' zei Kono. 'Tot onze verbazing, de formule was heel eenvoudig. Alleen de diameter van de nanobuis is van belang."

De onderzoekers denken dat het fenomeen kan leiden tot geavanceerde apparaten voor communicatie, spectroscopie en beeldvorming, evenals zeer afstembare nabij-infrarood kwantumcascadelasers.

Terwijl traditionele halfgeleiderlasers afhankelijk zijn van de breedte van de bandgap van het lasermateriaal, kwantumcascadelasers niet, zei Weilu Gao, een co-auteur van de studie en een postdoctoraal onderzoeker in Kono's groep die de voorloper is van de ontwikkeling van apparaten met behulp van uitgelijnde nanobuisjes. "De golflengte is onafhankelijk van de kloof, " zei hij. "Onze laser zou in deze categorie vallen. Gewoon door de diameter van de nanobuis te veranderen, we zouden de plasmaresonantie-energie moeten kunnen afstemmen zonder ons zorgen te maken over de bandgap."

Kono verwacht ook dat de gepoorte en uitgelijnde nanobuisfilms natuurkundigen de mogelijkheid zullen geven om Luttinger-vloeistoffen te bestuderen, theoretische verzamelingen van op elkaar inwerkende elektronen in eendimensionale geleiders.

"Er wordt voorspeld dat eendimensionale metalen heel anders zijn dan 2D en 3D, " Zei Kono. "Koolstofnanobuisjes zijn enkele van de beste kandidaten voor het observeren van het vloeibare gedrag van Luttinger. Het is moeilijk om een ​​enkele buis te bestuderen, maar we hebben een macroscopisch eendimensionaal systeem. Door doping of poorten, we kunnen de Fermi-energie afstemmen. We kunnen zelfs een 1-D halfgeleider omzetten in een 1-D metaal. Dit is dus een ideaal systeem om dit soort natuurkunde te bestuderen."

Yanagi, een professor in de fysica van de gecondenseerde materie aan de Tokyo Metropolitan University, is hoofdauteur van het artikel. Co-auteurs zijn afgestudeerde student Ryotaro Okada, afgestudeerde student Yota Ichinose en Yohei Yomogida, een assistent-professor in de fysica van de gecondenseerde materie, allemaal in Tokyo Metropolitan, en afgestudeerde student Fumiya Katsutani bij Rice. Kono is een professor in elektrische en computertechniek, van natuurkunde en sterrenkunde, en van materiaalkunde en nano-engineering.