Nanoteknologiforskare som studerar små buntar kolnanorör har upptäckt en optisk signatur som visar excitoner bundna till ett enda nanorör åtföljs av excitoner som tunnlar över nära samverkande nanorör. Att kvanttunnelåtgärder kan påverka energidistributionen i kolnanorörnät, med konsekvenser för ljusemitterande filmer och lätta skördstillämpningar.

"Att observera detta beteende i kolnanorör tyder på att det finns potential att upptäcka och kontrollera ett liknande svar i mer komplexa, flerskiktade halvledare och halvledarmetall-heterostrukturer, "sade Stephen Doorn, från Center for Integrated Nanotechnologies i Los Alamos och en medförfattare till studien, nyligen publicerad i Naturkommunikation .

Kolnanorör är cylindrar av grafen med sina atomer anordnade i hexagoner. De är av intresse som nära-infraröda ljusstrålare och nanoskala halvledarmaterial för elektronik och optoelektronikapplikationer.

Excitons bär effektivt energi i kolnanorör som tätt bundna par av negativ och positiv laddning (elektroner och hål). Excitoner skapas när ljus absorberas av materialet. Interaktioner mellan enskilda element i nanomaterial kan ge upphov till nya framväxande beteenden, såsom excitonkondens. Kolnanorörs intertube -excitoner - de excitoner som tunnlar mellan rören - ökar intervallet för observerade excitonbeteenden.

I studien, ett forskningsgrupp från Los Alamos National Laboratory, Center for Integrated Nanotechnologies och National Institute of Standards and Technology visade att Raman -spektroskopi (en form av ljusspridning) kan ge en mer omfattande karakterisering av intertube -excitoner. Teamet använde kemiska separationer för att isolera ett prov av en enda typ av kolnanorörsstruktur. Nanorören i dessa prover buntades sedan för att tvinga interaktioner mellan enskilda nanorör.

För att profilera kolnanorörets excitonenergier, laget mätte intensiteten hos Ramans spridda ljus när de varierade ljusets våglängd. Förvånande, laget hittade en tidigare obemärkt skarp funktion i Raman -profilen för de medföljande kolnanorören. Denna oväntade funktion hittades inte för icke-interagerande enskilda kolnanorör.

Teoretisk analys visade att den unika packningsgeometrin som produceras i buntar som består av en enda kol -nanorörstruktur resulterar i kedjor av nära interagerande kolatomer. Dessa kedjor främjar bildandet av excitoner mellan rören. Ytterligare analys visade att excitonerna mellan rören i sig själva inte kan interagera med ljus på ett sätt som genererar den skarpa funktionen. Istället, en interaktion mellan intertube -excitonerna och intratube -excitonerna leder till en excitonspridningsprocess som åtföljs av en kvantinterferens. En sådan störning resulterar i en skarp asymmetrisk egenskap som kallas en Fano -resonans som identifierades i Raman -mätningen.

Teamets resultat generaliserar nu detta beteende till en ny klass av excitonsvar i kolnanorörsaggregat, tyder på att sådana beteenden kan hittas i en bredare klass av tvådimensionella kvantkompositmaterial.