En ny kvanteffekt som observeras i en kolnanorörsfilm kan leda till utvecklingen av unika lasrar och andra optoelektroniska enheter, enligt forskare vid Rice University och Tokyo Metropolitan University.

Rice-Tokyo-teamet rapporterade ett framsteg i förmågan att manipulera ljus på kvantskala genom att använda enkelväggiga kolnanorör som plasmoniska kvantinneslutningsfält.

Fenomenet som hittas i fysikern Junichiro Konos rislabb kan vara nyckeln till att utveckla optoelektroniska enheter som nanoskala, nära-infraröda lasrar som sänder ut kontinuerliga strålar vid våglängder som är för korta för att kunna produceras med nuvarande teknik.

Den nya forskningen är detaljerad i Naturkommunikation .

Projektet samlades i kölvattnet av Kono-gruppens upptäckt av ett sätt att åstadkomma en mycket tät anpassning av kolnanorör i skivfilmer. Dessa filmer möjliggjorde experiment som var alldeles för svåra att utföra på enstaka eller trassliga aggregat av nanorör och fångade Tokyo Metropolitan-fysikern Kazuhiro Yanagi, uppmärksamhet. som studerar kondenserad materiens fysik i nanomaterial.

"Han tog med grindtekniken (som styr tätheten av elektroner i nanorörsfilmen), och vi gav justeringstekniken, ", sa Kono. "För första gången kunde vi göra en stor yta av inriktade nanorör med en grind som tillåter oss att injicera och ta ut en stor densitet av fria elektroner."

"Gatingtekniken är väldigt intressant, men nanorören var slumpmässigt orienterade i filmerna jag hade använt, " Yanagi sa. "Den situationen var mycket frustrerande eftersom jag inte kunde få exakt kunskap om de endimensionella egenskaperna hos nanorör i sådana filmer, vilket är viktigast. Filmerna som bara kan tillhandahållas av Kono-gruppen är fantastiska eftersom de tillät oss att ta itu med detta ämne."

Deras kombinerade teknologier låter dem pumpa elektroner in i nanorör som är lite mer än en nanometer breda och sedan excitera dem med polariserat ljus. Bredden på nanorören fångade elektronerna i kvantbrunnar, där energin hos atomer och subatomära partiklar är "begränsad" till vissa tillstånd, eller subband.

Ljus fick dem sedan att pendla mycket snabbt mellan väggarna. Med tillräckligt med elektroner, Kono sa:de började fungera som plasmoner.

"Plasmoner är kollektiva laddningssvängningar i en begränsad struktur, "sa han." Om du har en tallrik, en film, ett band, en partikel eller en sfär och du stör systemet (vanligtvis med en ljusstråle), dessa fria bärare rör sig kollektivt med en karakteristisk frekvens. "Effekten bestäms av antalet elektroner och objektets storlek och form.

Eftersom nanorören i risexperimenten var så tunna, energin mellan de kvantiserade delbanden var jämförbar med plasmonenergin, sa Kono. "Detta är kvantregimen för plasmoner, där intersubbandsövergången kallas intersubbandsplasmon. Människor har studerat detta i konstgjorda halvledarkvantbrunnar i det mycket långt infraröda våglängdsområdet, men detta är första gången det har observerats i ett naturligt förekommande lågdimensionellt material och vid så kort våglängd."

Att upptäcka ett mycket komplicerat grindspänningsberoende i det plasmoniska svaret var en överraskning, liksom dess utseende i både metalliska och halvledande enkelväggiga nanorör. "Genom att undersöka den grundläggande teorin om ljus-nanorörinteraktioner, vi kunde härleda en formel för resonansenergin, "Sade Kono." Till vår förvåning, formeln var väldigt enkel. Bara diametern på nanoröret spelar roll."

Forskarna tror att fenomenet kan leda till avancerade enheter för kommunikation, spektroskopi och avbildning, samt mycket inställbara nära-infraröda kvantkaskadlasrar.

Medan traditionella halvledarlasrar beror på bredden på lasrmaterialets bandgap, kvantkaskadlasrar gör det inte, sa Weilu Gao, en medförfattare till studien och en postdoktor i Konos grupp som går i spetsen för enhetsutveckling med hjälp av justerade nanorör. "Våglängden är oberoende av gapet, "sa han." Vår laser skulle vara i denna kategori. Bara genom att ändra diametern på nanoröret, vi borde kunna ställa in plasmaresonansenergin utan att oroa oss för bandgapet."

Kono förväntar sig också att de gated och justerade nanorörsfilmerna kommer att ge fysiker möjlighet att studera Luttinger-vätskor, teoretiska samlingar av interagerande elektroner i endimensionella ledare.

"Endimensionella metaller förutspås skilja sig mycket från 2-D och 3-D, ", sade Kono. "Kolnanorör är några av de bästa kandidaterna för att observera Luttingers flytande beteenden. Det är svårt att studera ett enda rör, men vi har ett makroskopiskt endimensionellt system. Genom dopning eller gating, vi kan ställa in Fermi -energin. Vi kan till och med konvertera en 1-D-halvledare till en 1-D-metall. Så det här är ett idealiskt system för att studera den här typen av fysik."

Yanagi, professor i fysik i kondenserad materia vid Tokyo Metropolitan University, är huvudförfattare till tidningen. Medförfattare är doktoranden Ryotaro Okada, doktorand Yota Ichinose och Yohei Yomogida, en biträdande professor i fysik i kondenserad materia, allt på Tokyo Metropolitan, och doktorand Fumiya Katsutani på Rice. Kono är professor i el- och datateknik, av fysik och astronomi, och materialvetenskap och nanoteknik.