Fig A:Il diagramma schematico dell'interruttore dell'antenna fotoconduttiva basato su CNT e della configurazione sperimentale. I tubi CNT sono allineati parallelamente alla direzione del campo elettrico applicato. Credito:American Chemical Society
Un team di ricercatori dell'Università di Osaka, TU Vienna, Università tecnologica di Nanyang, Università del riso, L'Università di Alberta e la Southern Illinois University-Carbondale si avvicinano a svelare la fisica delle quasiparticelle nei nanotubi di carbonio.
Nanotubi di carbonio (CNT), un materiale modello unidimensionale (1-D) composto interamente da atomi di carbonio, hanno attirato una notevole attenzione sin dalla loro scoperta a causa delle proprietà uniche derivanti dagli effetti di confinamento quantistico. I CNT sono stati etichettati come uno dei materiali per i dispositivi optoelettronici di prossima generazione. Fondamentale per questo progresso è capire come le quasiparticelle, particelle teoriche usate per descrivere i fenomeni osservabili nei solidi, si comportano e interagiscono tra loro in un sistema 1D. Ciò richiede un modello fondamentalmente diverso rispetto a un materiale 3-D convenzionale come il silicio come conseguenza della ridotta dimensionalità nei CNT.
"È stato difficile sviluppare un dispositivo di radiazione terahertz con un campo elettrico esterno elevato in una direzione specifica rispetto al CNT, " dice l'autore corrispondente Masayoshi Tonouchi.
Combinando diverse tecniche sperimentali, il team è stato in grado di sondare direttamente la creazione di portatori di carica gratuita nei CNT a diverse scale temporali dopo la fotoeccitazione. Interazioni molto complesse che coinvolgono diverse quasiparticelle si verificano dopo la fotoeccitazione iniziale. Questi processi cambiano nel tempo, ed essere in grado di sondare una delle quasiparticelle rende più facile la comprensione dell'intero processo.
Fig B. Forme d'onda di emissione THz osservate sperimentalmente a polarizzazione diretta e inversa. Credito:American Chemical Society
Fig C. Confronto dei valori di picco calcolati dell'emissione di THz e della fotocorrente con i dati sperimentali. Credito:American Chemical Society
Insieme a simulazioni all'avanguardia, il team è stato in grado di identificare due meccanismi chiave che spiegano i loro dati e li ha aiutati a sviluppare un modello microscopico dettagliato che descrive le interazioni di quasiparticelle in un forte campo elettrico nei CNT.
"Abbiamo proposto un modello in cui le quasiparticelle legate alla lacuna di elettroni eccitate nella banda degli eccitoni E22 ad alta energia divergono nella banda a bassa energia e svolgono un ruolo nella conduzione elettrica ultraveloce. Questo modello ha spiegato con successo i fatti sperimentali e ha portato al chiarimento della fisica proprietà dei CNT".
I loro risultati fanno luce su una serie di problemi di vecchia data nella dinamica ultraveloce dei CNT, avvicinandoci alla realizzazione di optoelettronica avanzata basata su CNT e altri materiali a bassa dimensionalità.
