Adattare le dimensioni e altri attributi dei nanotubi di carbonio può aumentare notevolmente la quantità di luce che emettono, hanno scoperto tre fisici del RIKEN. Questa scoperta promette di portare allo sviluppo di dispositivi fotonici altamente efficienti.

I nanotubi di carbonio sono minuscoli cilindri che hanno un diametro compreso tra un nanometro e pochi nanometri ma possono raggiungere una lunghezza di diversi micrometri. Le loro eccellenti proprietà elettroniche e meccaniche li rendono interessanti per l'uso in dispositivi ad alta efficienza energetica. In particolare, un difetto nelle strutture di carbonio atomico altrimenti puro dei nanotubi può emettere singoli fotoni di luce, un componente vitale per molti dispositivi su scala nanometrica necessari per il calcolo quantistico e le comunicazioni.

In un tipico dispositivo a emissione di luce, la luce laser o un campo elettrico crea coppie di elettroni e lacune note come eccitoni. Qualche tempo dopo, l'elettrone e la lacuna si ricombinano e l'eccitone si annichila. A seconda della simmetria dell'eccitone, l'annientamento può provocare o meno l'emissione di luce.

Circa la metà degli eccitoni creati sono luminosi, mentre l'altra metà è scura e si ricombina senza emettere luce. Alcuni eccitoni scuri possono diventare eccitoni luminosi e quindi emettere luce all'annientamento. Ma i nanotubi di carbonio tendono ad avere basse efficienze di emissione di luce, principalmente perché gli eccitoni scuri spesso si ricombinano prima che possano trasformarsi in eccitoni luminosi.

Ora, Yuichiro Kato e due colleghi, tutto al RIKEN Nanoscale Quantum Photonics Laboratory, hanno scoperto che adattando le specifiche dei nanotubi più della metà degli eccitoni oscuri possono essere convertiti in quelli luminosi, migliorando così notevolmente l'emissione luminosa dei nanotubi (Fig. 1).

I ricercatori hanno eseguito misurazioni della luminescenza risolte nel tempo su una gamma di nanotubi di carbonio. Adattando le tracce di luminescenza risolte nel tempo con un modello, hanno scoperto che il tasso di conversione tra eccitoni scuri e luminosi dipende dalla lunghezza, diametro e chiralità dei nanotubi. I tre ricercatori hanno stimato che nei nanotubi più lunghi, il tasso di conversione degli eccitoni scuri in luminosi era così alto che più della metà degli eccitoni scuri ha contribuito alla luminescenza totale.

"Questi risultati mostrano che gli eccitoni oscuri possono influenzare significativamente la cinetica di emissione in materiali a bassa dimensione come i nanotubi, " dice Kato. "In questo modo indicano il potenziale dell'utilizzo delle interazioni di superficie per progettare il processo di conversione da scuro a luminoso".

Il team ora intende esplorare il potenziale di sfruttare questo effetto. "Siamo interessati a utilizzare questo efficiente processo di conversione per ottenere emettitori a singolo fotone di nanotubi di carbonio con prestazioni migliori, "dice Kato.