Plasmoner udløst i nanorørs kvantebrønde

En ny kvanteeffekt observeret i en kulstof nanorørsfilm kunne føre til udviklingen af ​​unikke lasere og andre optoelektroniske enheder, ifølge forskere ved Rice University og Tokyo Metropolitan University.

Rice-Tokyo-teamet rapporterede et fremskridt i evnen til at manipulere lys på kvanteskalaen ved at bruge enkeltvæggede kulstofnanorør som plasmoniske kvanteindeslutningsfelter.

Fænomenet fundet i Rice lab af fysiker Junichiro Kono kan være nøglen til at udvikle optoelektroniske enheder som nanoskala, nær-infrarøde lasere, der udsender kontinuerlige stråler ved bølgelængder for korte til at blive produceret af den nuværende teknologi.

Den nye forskning er detaljeret i Naturkommunikation .

Projektet kom sammen i kølvandet på Kono-gruppens opdagelse af en måde at opnå meget stram justering af kulstofnanorør i film i waferstørrelse. Disse film gav mulighed for eksperimenter, der var alt for svære at udføre på enkelte eller sammenfiltrede aggregater af nanorør og fangede Tokyo Metropolitan-fysiker Kazuhiro Yanagi, der studerer kondenseret stofs fysik i nanomaterialer.

"Han bragte gating-teknikken (som styrer tætheden af ​​elektroner i nanorørsfilmen), og vi leverede tilpasningsteknikken, " Sagde Kono. "For første gang var vi i stand til at lave en stor-areal film af justerede nanorør med en gate, der giver os mulighed for at injicere og fjerne en stor tæthed af frie elektroner."

"Gatingteknikken er meget interessant, men nanorørene var tilfældigt orienteret i de film, jeg havde brugt, " sagde Yanagi. "Den situation var meget frustrerende, fordi jeg ikke kunne få præcis viden om de endimensionelle karakteristika af nanorør i sådanne film, hvilket er vigtigst. De film, der kun kan leveres af Kono-gruppen, er fantastiske, fordi de gav os mulighed for at tackle dette emne."

Deres kombinerede teknologier lader dem pumpe elektroner ind i nanorør, der er lidt mere end en nanometer brede og derefter excitere dem med polariseret lys. Bredden af ​​nanorørene fangede elektronerne i kvantebrønde, hvor energien af ​​atomer og subatomære partikler er "begrænset" til visse tilstande, eller underbånd.

Lys fik dem så til at svinge meget hurtigt mellem væggene. Med nok elektroner, Kono sagde, de begyndte at fungere som plasmoner.

"Plasmoner er kollektive ladningsoscillationer i en begrænset struktur, " sagde han. "Hvis du har en tallerken, en film, et bånd, en partikel eller en kugle, og du forstyrrer systemet (normalt med en lysstråle), disse frie bærere bevæger sig kollektivt med en karakteristisk frekvens." Effekten bestemmes af antallet af elektroner og objektets størrelse og form.

Fordi nanorørene i ris-eksperimenterne var så tynde, energien mellem de kvantiserede underbånd var sammenlignelig med plasmonenergien, sagde Kono. "Dette er kvanteregimet for plasmoner, hvor intersubband overgangen kaldes intersubband plasmon. Folk har studeret dette i kunstige halvlederkvantebrønde i det meget langt infrarøde bølgelængdeområde, men det er første gang, det er blevet observeret i et naturligt forekommende lavdimensionelt materiale og ved så kort en bølgelængde."

At detektere en meget kompliceret gatespændingsafhængighed i den plasmoniske respons var en overraskelse, ligesom dets udseende i både metalliske og halvledende enkeltvæggede nanorør. "Ved at undersøge den grundlæggende teori om lys-nanorør-interaktioner, vi var i stand til at udlede en formel for resonansenergien, " sagde Kono. "Til vores overraskelse, formlen var meget enkel. Kun diameteren af ​​nanorøret betyder noget."

Forskerne mener, at fænomenet kan føre til avancerede enheder til kommunikation, spektroskopi og billeddannelse, samt meget afstembare nær-infrarøde kvantekaskadelasere.

Mens traditionelle halvlederlasere afhænger af bredden af ​​lasermaterialets båndgab, kvantekaskadelasere gør det ikke, sagde Weilu Gao, en medforfatter på undersøgelsen og en postdoc-forsker i Konos gruppe, der går i spidsen for enhedsudvikling ved hjælp af justerede nanorør. "Bølgelængden er uafhængig af kløften, " sagde han. "Vores laser ville være i denne kategori. Bare ved at ændre diameteren af ​​nanorøret, vi burde være i stand til at tune plasmaresonansenergien uden at bekymre os om båndgabet."

Kono forventer også, at de lukkede og justerede nanorørfilm vil give fysikere mulighed for at studere Luttinger-væsker, teoretiske samlinger af interagerende elektroner i endimensionelle ledere.

"Endimensionelle metaller forudsiges at være meget forskellige fra 2-D og 3-D, " sagde Kono. "Carbon nanorør er nogle af de bedste kandidater til at observere Luttingers væskeadfærd. Det er svært at studere et enkelt rør, men vi har et makroskopisk endimensionelt system. Ved doping eller gating, vi kan tune Fermi-energien. Vi kan endda konvertere en 1-D halvleder til et 1-D metal. Så dette er et ideelt system til at studere denne form for fysik."

Yanagi, en professor i kondenseret stof fysik ved Tokyo Metropolitan University, er hovedforfatter af papiret. Medforfattere er kandidatstuderende Ryotaro Okada, kandidatstuderende Yota Ichinose og Yohei Yomogida, en assisterende professor i kondenseret stoffysik, alt sammen i Tokyo Metropolitan, og kandidatstuderende Fumiya Katsutani på Rice. Kono er professor i elektro- og computerteknik, af fysik og astronomi, og materialevidenskab og nanoteknik.