Um novo efeito quântico observado em um filme de nanotubo de carbono pode levar ao desenvolvimento de lasers exclusivos e outros dispositivos optoeletrônicos, de acordo com cientistas da Rice University e da Tokyo Metropolitan University.

A equipe do Rice-Tokyo relatou um avanço na capacidade de manipular a luz em escala quântica usando nanotubos de carbono de parede única como campos de confinamento quântico plasmônico.

O fenômeno encontrado no laboratório de Rice do físico Junichiro Kono pode ser a chave para o desenvolvimento de dispositivos optoeletrônicos como em nanoescala, lasers infravermelhos que emitem feixes contínuos em comprimentos de onda muito curtos para serem produzidos pela tecnologia atual.

A nova pesquisa é detalhada em Nature Communications .

O projeto surgiu na esteira da descoberta do grupo Kono de uma maneira de atingir um alinhamento muito estreito de nanotubos de carbono em filmes do tamanho de bolachas. Esses filmes permitiram experimentos que eram muito difíceis de realizar em agregados únicos ou emaranhados de nanotubos e chamaram a atenção do físico da metrópole de Tóquio, Kazuhiro Yanagi, que estuda física da matéria condensada em nanomateriais.

“Ele trouxe a técnica de gating (que controla a densidade dos elétrons no filme de nanotubo), e fornecemos a técnica de alinhamento, "Kono disse." Pela primeira vez, fomos capazes de fazer um filme de grande área de nanotubos alinhados com um portão que nos permite injetar e retirar uma grande densidade de elétrons livres.

"A técnica de gating é muito interessante, mas os nanotubos foram orientados aleatoriamente nos filmes que usei, "Yanagi disse." Essa situação era muito frustrante porque eu não conseguia obter um conhecimento preciso das características unidimensionais dos nanotubos em tais filmes, o que é mais importante. Os filmes que só podem ser fornecidos pelo grupo Kono são fantásticos porque nos permitiram abordar este assunto. ”

Suas tecnologias combinadas permitem que eles bombeiem elétrons para nanotubos com pouco mais de um nanômetro de largura e depois os excitem com luz polarizada. A largura dos nanotubos prendeu os elétrons em poços quânticos, em que a energia dos átomos e partículas subatômicas é "confinada" a certos estados, ou sub-bandas.

A luz então os fez oscilar muito rapidamente entre as paredes. Com elétrons suficientes, Kono disse, eles começaram a agir como plasmons.

"Plasmons são oscilações coletivas de carga em uma estrutura confinada, "disse ele." Se você tem um prato, um filme, uma fita, uma partícula ou esfera e você perturba o sistema (geralmente com um feixe de luz), esses portadores livres se movem coletivamente com uma frequência característica. "O efeito é determinado pelo número de elétrons e pelo tamanho e forma do objeto.

Como os nanotubos nos experimentos do Rice eram tão finos, a energia entre as sub-bandas quantizadas era comparável à energia do plasmon, Kono disse. "Este é o regime quântico para plasmons, onde a transição intersubband é chamada de plasmon intersubband. As pessoas estudaram isso em poços quânticos de semicondutores artificiais na faixa de comprimento de onda do infravermelho muito distante, mas esta é a primeira vez que foi observada em um material de baixa dimensão que ocorre naturalmente e em um comprimento de onda tão curto. "

Detectar uma dependência de tensão de porta muito complicada na resposta plasmônica foi uma surpresa, assim como sua aparência em nanotubos metálicos e semicondutores de parede única. "Ao examinar a teoria básica das interações luz-nanotubo, fomos capazes de derivar uma fórmula para a energia de ressonância, "Kono disse." Para nossa surpresa, a fórmula era muito simples. Apenas o diâmetro do nanotubo importa. "

Os pesquisadores acreditam que o fenômeno pode levar a dispositivos avançados para comunicações, espectroscopia e imagem, bem como lasers em cascata quântica de infravermelho próximo altamente sintonizáveis.

Embora os lasers de semicondutores tradicionais dependam da largura da folga do material do laser, lasers de cascata quântica não, disse Weilu Gao, um co-autor do estudo e um pesquisador de pós-doutorado no grupo de Kono que está liderando o desenvolvimento de dispositivos usando nanotubos alinhados. "O comprimento de onda é independente da lacuna, "disse ele." Nosso laser estaria nesta categoria. Apenas mudando o diâmetro do nanotubo, devemos ser capazes de sintonizar a energia de ressonância do plasma sem nos preocupar com o bandgap. "

Kono também espera que os filmes de nanotubos alinhados e bloqueados dêem aos físicos a oportunidade de estudar líquidos de Luttinger, coleções teóricas de elétrons interagindo em condutores unidimensionais.

"Prevê-se que metais unidimensionais sejam muito diferentes de 2-D e 3-D, "Kono disse." Nanotubos de carbono são alguns dos melhores candidatos para observar o comportamento dos líquidos de Luttinger. É difícil estudar um único tubo, mas temos um sistema macroscópico unidimensional. Por dopagem ou bloqueio, podemos sintonizar a energia Fermi. Podemos até converter um semicondutor 1-D em um metal 1-D. Portanto, este é um sistema ideal para estudar este tipo de física. "

Yanagi, um professor de física da matéria condensada na Tokyo Metropolitan University, é o autor principal do artigo. Os co-autores são o estudante de graduação Ryotaro Okada, estudante de pós-graduação Yota Ichinose e Yohei Yomogida, um professor assistente de física da matéria condensada, tudo no Tokyo Metropolitan, e a estudante de graduação Fumiya Katsutani na Rice. Kono é professor de engenharia elétrica e da computação, da física e astronomia, e de ciência de materiais e nanoengenharia.