Os pesquisadores da nanotecnologia que estudam pequenos feixes de nanotubos de carbono descobriram uma assinatura óptica que mostra que excitons ligados a um único nanotubo são acompanhados por excitons que fazem um túnel através de nanotubos em interação próxima. Essa ação de tunelamento quântico pode impactar a distribuição de energia em redes de nanotubos de carbono, com implicações para filmes emissores de luz e aplicações de coleta de luz.

"Observar esse comportamento em nanotubos de carbono sugere que há potencial para detectar e controlar uma resposta semelhante em mais complexos, semicondutores multicamadas e heteroestruturas de metal semicondutor, "disse Stephen Doorn, do Centro de Nanotecnologias Integradas de Los Alamos e co-autor do estudo, publicado recentemente em Nature Communications .

Nanotubos de carbono são cilindros de grafeno com seus átomos dispostos em hexágonos. Eles são de interesse como emissores de luz infravermelha próxima e materiais semicondutores em nanoescala para aplicações eletrônicas e optoeletrônicas.

Excitons efetivamente carregam energia em nanotubos de carbono como pares fortemente ligados de carga negativa e positiva (elétrons e lacunas). Excitons são criados quando a luz é absorvida pelo material. As interações entre os elementos individuais dos nanomateriais podem dar origem a novos comportamentos emergentes, como condensação de excitons. Excitons intertubos de nanotubos de carbono - aqueles excitons que formam um túnel entre os tubos - aumentam a gama de comportamentos de excitons observados.

No estudo, uma equipe de pesquisa colaborativa do Laboratório Nacional de Los Alamos, o Centro de Nanotecnologias Integradas e o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia mostraram que a espectroscopia Raman (uma forma de espalhamento de luz) pode fornecer uma caracterização mais extensa de excitons intertubos. A equipe usou separações químicas para isolar uma amostra de um único tipo de estrutura de nanotubo de carbono. Os nanotubos nessas amostras foram agrupados para forçar as interações entre os nanotubos individuais.

Para traçar o perfil das energias de exciton do nanotubo de carbono, a equipe mediu a intensidade da luz espalhada por Raman enquanto variavam o comprimento de onda da luz. Surpreendentemente, a equipe encontrou uma característica nítida anteriormente não observada no perfil Raman dos nanotubos de carbono agrupados. Esta característica inesperada não foi encontrada para nanotubos de carbono individuais não interagentes.

A análise teórica mostrou que a geometria de empacotamento única produzida em feixes compostos por uma única estrutura de nanotubo de carbono resulta em cadeias de átomos de carbono em interação próxima. Essas cadeias promovem a formação de excitons intertubulares. Uma análise posterior mostrou que os excitons intertubulares por si só não podem interagir com a luz de uma forma que gere a característica nítida. Em vez de, uma interação entre os excitons intertubos e excitons intratubos leva a um processo de espalhamento de excitons que é acompanhado por uma interferência quântica. Tal interferência resulta em uma característica assimétrica nítida conhecida como ressonância Fano que foi identificada na medição Raman.

As descobertas da equipe agora generalizam esse comportamento para uma nova classe de resposta de excitons em montagens de nanotubos de carbono, sugerindo que tais comportamentos podem ser encontrados em uma classe mais ampla de materiais compostos quânticos bidimensionais.