I nanotubi di carbonio assomigliano a fili cavi molto sottili con un diametro di appena un nanometro circa. Possono generare luce in vari modi. Ad esempio, un impulso laser può eccitare gli elettroni caricati negativamente all'interno del materiale, lasciando "buchi" carichi positivamente. Queste cariche opposte possono accoppiarsi per formare uno stato energetico noto come eccitone, che può viaggiare relativamente lontano lungo un nanotubo prima di rilasciare la sua energia sotto forma di luce.

In linea di principio, questo fenomeno potrebbe essere sfruttato per realizzare dispositivi che emettono luce su scala nanometrica altamente efficienti.

Sfortunatamente, ci sono tre ostacoli all’uso del laser per generare eccitoni all’interno dei nanotubi di carbonio. Innanzitutto, un raggio laser è tipicamente 1.000 volte più largo di un nanotubo, quindi pochissima della sua energia viene effettivamente assorbita dal materiale. In secondo luogo, le onde luminose devono allinearsi perfettamente con il nanotubo per fornire la loro energia in modo efficace. Infine, gli elettroni in un nanotubo di carbonio possono assorbire solo lunghezze d'onda della luce molto specifiche.

Per superare queste limitazioni, un team guidato da Yuichiro Kato del RIKEN Nanoscale Quantum Photonics Laboratory si è rivolto a un’altra classe di nanomateriali, noti come materiali 2D. Questi fogli piatti hanno uno spessore di pochi atomi, ma possono essere molto più larghi di un raggio laser e sono molto più efficaci nel convertire gli impulsi laser in eccitoni.

I ricercatori hanno coltivato nanotubi di carbonio su una trincea ricavata da un materiale isolante. Hanno poi posizionato una scaglia atomicamente sottile di diseleniuro di tungsteno sopra i nanotubi. Quando gli impulsi laser colpiscono questo fiocco, generano eccitoni che si spostano nel nanotubo e lungo la sua lunghezza, prima di rilasciare luce con una lunghezza d’onda maggiore rispetto al laser. Ci è voluto solo un trilionesimo di secondo affinché ciascun eccitone passasse dal materiale 2D al nanotubo.

L'articolo è pubblicato sulla rivista Nature Communications .

Testando nanotubi con una gamma di strutture diverse che influenzano i livelli energetici cruciali all'interno del materiale, i ricercatori hanno identificato forme di nanotubi ideali che facilitano il trasferimento di eccitoni dal materiale 2D.

Sulla base di questo risultato, intendono utilizzare l’ingegneria delle bande, un concetto utile nell’ingegneria dei semiconduttori per realizzare dispositivi con proprietà superiori, su scala atomicamente sottile. "Quando l'ingegneria delle bande viene applicata ai semiconduttori a bassa dimensionalità, si prevede che emergano nuove proprietà fisiche e funzionalità innovative", afferma Kato.

"Speriamo di utilizzare questo concetto per sviluppare dispositivi fotonici e optoelettronici spessi solo pochi strati atomici", aggiunge Kato. "Se riusciamo a ridurli al limite atomicamente sottile, ci aspettiamo che emergano nuovi effetti quantistici, che potrebbero diventare utili per le future tecnologie quantistiche."