I ricercatori di nanotecnologia che studiano piccoli fasci di nanotubi di carbonio hanno scoperto una firma ottica che mostra che gli eccitoni legati a un singolo nanotubo sono accompagnati da eccitoni che passano attraverso nanotubi strettamente interagenti. Quell'azione di tunneling quantistico potrebbe avere un impatto sulla distribuzione dell'energia nelle reti di nanotubi di carbonio, con implicazioni per i film emettitori di luce e le applicazioni di raccolta della luce.

"L'osservazione di questo comportamento nei nanotubi di carbonio suggerisce che esiste il potenziale per rilevare e controllare una risposta simile in ambienti più complessi, semiconduttori multistrato ed eterostrutture semiconduttore-metallo, " ha detto Stephen Doorn, del Centro per le nanotecnologie integrate di Los Alamos e coautore dello studio, recentemente pubblicato in Comunicazioni sulla natura .

I nanotubi di carbonio sono cilindri di grafene con i loro atomi disposti in esagoni. Sono interessanti come emettitori di luce nel vicino infrarosso e materiali semiconduttori su nanoscala per applicazioni di elettronica e optoelettronica.

Gli eccitoni trasportano efficacemente energia nei nanotubi di carbonio come coppie strettamente legate di carica negativa e positiva (elettroni e lacune). Gli eccitoni vengono creati quando la luce viene assorbita dal materiale. Le interazioni tra i singoli elementi dei nanomateriali possono dar luogo a nuovi comportamenti emergenti, come la condensazione degli eccitoni. Gli eccitoni intertubo di nanotubi di carbonio, quegli eccitoni che si muovono tra i tubi, si aggiungono alla gamma di comportamenti degli eccitoni osservati.

Nello studio, un team di ricerca collaborativa del Los Alamos National Laboratory, il Centro per le nanotecnologie integrate e l'Istituto nazionale di standard e tecnologia hanno dimostrato che la spettroscopia Raman (una forma di diffusione della luce) può fornire una caratterizzazione più ampia degli eccitoni intertubo. Il team ha utilizzato separazioni chimiche per isolare un campione di un singolo tipo di struttura di nanotubi di carbonio. I nanotubi in questi campioni sono stati quindi raggruppati per forzare le interazioni tra i singoli nanotubi.

Per profilare le energie degli eccitoni dei nanotubi di carbonio, il team ha misurato l'intensità della luce diffusa Raman mentre variava la lunghezza d'onda della luce. Sorprendentemente, il team ha trovato una caratteristica nitida precedentemente non osservata nel profilo Raman dei nanotubi di carbonio in bundle. Questa caratteristica inaspettata non è stata trovata per i singoli nanotubi di carbonio non interagenti.

L'analisi teorica ha mostrato che l'esclusiva geometria dell'imballaggio prodotta in fasci composti da un'unica struttura di nanotubi di carbonio si traduce in catene di atomi di carbonio strettamente interagenti. Queste catene promuovono la formazione di eccitoni intertube. Ulteriori analisi hanno mostrato che gli eccitoni intertubo da soli non possono interagire con la luce in un modo che genera la caratteristica nitida. Anziché, un'interazione tra gli eccitoni intertube e gli eccitoni intratubo porta ad un processo di scattering degli eccitoni che è accompagnato da un'interferenza quantistica. Tale interferenza si traduce in una caratteristica asimmetrica netta nota come risonanza di Fano che è stata identificata nella misurazione Raman.

Le scoperte del team ora generalizzano questo comportamento a una nuova classe di risposta degli eccitoni negli assemblaggi di nanotubi di carbonio, suggerendo che tali comportamenti possono essere trovati in una classe più ampia di materiali compositi quantistici bidimensionali.