Terahertz videnskab afslører den ultrahurtige fotobærerdynamik i kulstofnanorør

Et team af forskere fra Osaka University, TU Wien, Nanyang Teknologiske Universitet, Rice University, University of Alberta og Southern Illinois University-Carbondale kommer tættere på at optrevle fysikken i kvasipartikler i kulstofnanorør.

Carbon nanorør (CNT'er), et model endimensionelt (1-D) materiale, der udelukkende består af kulstofatomer, har tiltrukket sig betydelig opmærksomhed lige siden deres opdagelse på grund af de unikke egenskaber, der stammer fra kvanteindeslutningseffekter. CNT'er er blevet mærket som et af materialerne til næste generation af optoelektroniske enheder. Af afgørende betydning for dette fremskridt er forståelsen af, hvordan kvasipartikler - teoretiske partikler, der bruges til at beskrive observerbare fænomener i faste stoffer - opfører sig og interagerer med hinanden i et 1-D system. Dette kræver en fundamentalt anderledes model sammenlignet med et konventionelt 3-D materiale som silicium som en konsekvens af den reducerede dimensionalitet i CNT'er.

"Det var vanskeligt at udvikle en terahertz-strålingsenhed med et eksternt højt elektrisk felt i en bestemt retning til CNT, " siger den tilsvarende forfatter Masayoshi Tonouchi.

Ved at kombinere forskellige eksperimentelle teknikker, holdet var i stand til direkte at undersøge skabelsen af ​​gratis ladningsbærere i CNT'er på forskellige tidsskalaer efter fotoexcitation. Meget komplekse interaktioner, der involverer forskellige kvasipartikler, forekommer efter den indledende fotoexcitation. Disse processer ændrer sig over tid, og at kunne sondere en af ​​kvasipartiklerne gør det lettere at forstå hele processen.

Sammen med state-of-the-art simuleringer, holdet var i stand til at identificere to nøglemekanismer, der forklarer deres data og hjalp dem med at udvikle en detaljeret mikroskopisk model, der beskriver kvasipartikel-interaktioner i et stærkt elektrisk felt i CNT'er.

"Vi foreslog en model, hvor elektron-hul-bundne kvasipartikler exciterede i højenergi E22 excitonbåndet divergerer til lavenergibåndet og spiller en rolle i ultrahurtig elektrisk ledning. Denne model forklarede med succes de eksperimentelle fakta og førte til afklaringen af ​​den fysiske egenskaber af CNT'er."

Deres resultater kaster lys over en række langvarige problemer i CNT ultrahurtig dynamik, flytte os tættere på realiseringen af ​​avanceret optoelektronik baseret på CNT'er og andre lavdimensionelle materialer.