Un nuovo effetto quantistico osservato in un film di nanotubi di carbonio potrebbe portare allo sviluppo di laser unici e altri dispositivi optoelettronici, secondo gli scienziati della Rice University e della Tokyo Metropolitan University.

Il team Rice-Tokyo ha riportato un progresso nella capacità di manipolare la luce su scala quantistica utilizzando nanotubi di carbonio a parete singola come campi di confinamento quantistico plasmonico.

Il fenomeno scoperto nel laboratorio Rice del fisico Junichiro Kono potrebbe essere la chiave per lo sviluppo di dispositivi optoelettronici come nanoscala, laser nel vicino infrarosso che emettono fasci continui a lunghezze d'onda troppo corte per essere prodotti dalla tecnologia attuale.

La nuova ricerca è dettagliata in Comunicazioni sulla natura .

Il progetto è nato sulla scia della scoperta da parte del gruppo Kono di un modo per ottenere un allineamento molto stretto dei nanotubi di carbonio in film di dimensioni di wafer. Questi film consentivano esperimenti che erano troppo difficili da eseguire su aggregati singoli o aggrovigliati di nanotubi e attirarono l'attenzione del fisico metropolitano di Tokyo Kazuhiro Yanagi, che studia la fisica della materia condensata nei nanomateriali.

"Ha portato la tecnica del gating (che controlla la densità degli elettroni nel film di nanotubi), e abbiamo fornito la tecnica di allineamento, " ha detto Kono. "Per la prima volta siamo stati in grado di realizzare un film di grandi dimensioni di nanotubi allineati con un cancello che ci consente di iniettare ed estrarre una grande densità di elettroni liberi".

"La tecnica del gating è molto interessante, ma i nanotubi erano orientati in modo casuale nei film che avevo usato, " ha detto Yanagi. "Quella situazione è stata molto frustrante perché non ho potuto ottenere una conoscenza precisa delle caratteristiche unidimensionali dei nanotubi in tali film, che è più importante. I film che possono essere forniti solo dal gruppo Kono sono straordinari perché ci hanno permesso di affrontare questo argomento".

Le loro tecnologie combinate consentono loro di pompare elettroni in nanotubi larghi poco più di un nanometro e quindi di eccitarli con luce polarizzata. La larghezza dei nanotubi ha intrappolato gli elettroni in pozzi quantici, in cui l'energia degli atomi e delle particelle subatomiche è "confinata" in determinati stati, o sottobande.

La luce poi li ha spinti ad oscillare molto velocemente tra le pareti. Con abbastanza elettroni, Kono ha detto, cominciarono ad agire come plasmoni.

"I plasmoni sono oscillazioni collettive di carica in una struttura confinata, " disse. "Se hai un piatto, un film, un nastro, una particella o una sfera e si perturba il sistema (di solito con un raggio di luce), questi vettori liberi si muovono collettivamente con una frequenza caratteristica." L'effetto è determinato dal numero di elettroni e dalle dimensioni e dalla forma dell'oggetto.

Poiché i nanotubi negli esperimenti di Rice erano così sottili, l'energia tra le sottobande quantizzate era paragonabile all'energia del plasmone, disse Kono. "Questo è il regime quantistico per i plasmoni, dove la transizione intersottobanda è detta plasmone intersottobanda. La gente ha studiato questo in pozzi quantistici di semiconduttori artificiali nella gamma di lunghezze d'onda dell'infrarosso molto lontano, ma questa è la prima volta che viene osservata in un materiale a bassa dimensionalità presente in natura e a una lunghezza d'onda così corta".

Rilevare una dipendenza dalla tensione di gate molto complicata nella risposta plasmonica è stata una sorpresa, così come il suo aspetto nei nanotubi a parete singola metallici e semiconduttori. "Esaminando la teoria di base delle interazioni luce-nanotubi, siamo stati in grado di ricavare una formula per l'energia di risonanza, " ha detto Kono. "Con nostra sorpresa, la formula era molto semplice. Conta solo il diametro del nanotubo."

I ricercatori ritengono che il fenomeno potrebbe portare a dispositivi avanzati per le comunicazioni, spettroscopia e imaging, così come laser a cascata quantica nel vicino infrarosso altamente sintonizzabili.

Mentre i tradizionali laser a semiconduttore dipendono dall'ampiezza della banda proibita del materiale laser, i laser a cascata quantica no, disse Weilu Gao, un coautore dello studio e un ricercatore post-dottorato nel gruppo di Kono che sta guidando lo sviluppo di dispositivi utilizzando nanotubi allineati. "La lunghezza d'onda è indipendente dal gap, " ha detto. "Il nostro laser sarebbe in questa categoria. Semplicemente cambiando il diametro del nanotubo, dovremmo essere in grado di sintonizzare l'energia di risonanza del plasma senza preoccuparci del bandgap".

Kono si aspetta anche che i film di nanotubi gated e allineati daranno ai fisici l'opportunità di studiare i liquidi Luttinger, collezioni teoriche di elettroni interagenti in conduttori unidimensionali.

"Si prevede che i metalli unidimensionali siano molto diversi dal 2-D e dal 3-D, " Kono ha detto. "I nanotubi di carbonio sono alcuni dei migliori candidati per osservare i comportamenti dei liquidi di Luttinger. È difficile studiare un singolo tubo, ma abbiamo un sistema macroscopico unidimensionale. Con il doping o il gating, possiamo sintonizzare l'energia di Fermi. Possiamo persino convertire un semiconduttore 1-D in un metallo 1-D. Quindi questo è un sistema ideale per studiare questo tipo di fisica".

Yanagi, professore di fisica della materia condensata alla Tokyo Metropolitan University, è l'autore principale del documento. I coautori sono lo studente laureato Ryotaro Okada, studente laureato Yota Ichinose e Yohei Yomogida, un assistente professore di fisica della materia condensata, tutti al Metropolitan di Tokyo, e lo studente laureato Fumiya Katsutani alla Rice. Kono è un professore di ingegneria elettrica e informatica, di fisica e astronomia, e della scienza dei materiali e della nanoingegneria.