在纳米管量子阱中触发了等离子体

据莱斯大学和东京都立大学的科学家称,在碳纳米管薄膜中观察到的一种新的量子效应可能导致独特的激光器和其他光电子器件的发展。

Rice-Tokyo团队报道了 通过使用单壁碳纳米管作为等离子体量子限制场来在量子尺度上操纵光的能力的进步 。

在物理学家Junichiro Kono的Rice实验室中发现的这种现象可能是开发光电器件的关键,如纳米级近红外激光器发射波长太短的连续光束,无法通过现有技术生成。

新研究在Nature Communications中有详细介绍 。

随着Kono集团发现了一种在晶圆级薄膜中实现碳纳米管非常紧密排列的方法,该项目汇集在一起 。这些薄膜允许进行实验,这些实验太难以在纳米管的单个或缠结聚集体上进行,并引起东京都物理学家Kazuhiro Yanagi的注意,他研究纳米材料中的凝聚态物理。

“他带来了门控技术(控制纳米管薄膜中电子的密度),我们提供了对准技术,”Kono说。“我们第一次能够制作一块大面积对准的纳米管薄膜,其栅极允许我们注入并取出大量自由电子。”

“门控技术非常有趣,但纳米管在我使用的薄膜中随机取向,”Yanagi说。“这种情况非常令人沮丧,因为我无法准确了解这类薄膜中纳米管的一维特性,这是最重要的。只能由Kono集团提供的电影令人惊叹,因为它们让我们能够解决这个问题。“

他们的组合技术让他们将电子泵入略高于纳米宽的纳米管中,然后用偏振光激发它们。纳米管的宽度将电子捕获在 量子阱中,其中原子和亚原子粒子的能量被“限制”到某些状态或子带。

光然后促使它们在墙壁之间非常快速地振荡。科诺说,有了足够的电子,他们开始充当等离子体。

“ 等离子体激元 是一种受限结构中的集体电荷振荡,”他说。“如果你有一个盘子,一个胶片,一个带子,一个粒子或一个球体,你会扰乱系统(通常用光束),这些自由载体会以一个特征频率共同移动。”效果取决于电子和物体的大小和形状。

Kono说,由于Rice实验中的纳米管非常薄,量子化子带之间的能量 与等离子体能量相当。“这是等离子体的量子状态,其中子带间跃迁称为子带间等离子体。人们已经在非常远红外波长范围内的人造半导体量子阱中对此进行了研究,但这是第一次在天然存在的低维材料和短波长下观察到它。

检测等离子体响应中非常复杂的栅极电压依赖性是令人惊讶的,因为它在金属和半导体单壁纳米管中的出现。“通过研究光 - 纳米管相互作用的基本理论,我们能够推导出共振能量的公式,”科诺说。“令我们惊讶的是,这个公式非常简单。只有纳米管的直径很重要。“

研究人员认为,这种现象可能导致先进的通信,光谱和成像设备,以及高度可调的近红外量子级联激光器。

虽然 传统的半导体激光器依赖于激光材料带隙的宽度,但 量子级联激光器 却没有,该研究的合着者和科诺集团的博士后研究人员Weilu Gao表示,该研究使用对准的纳米管进行器件开发。“波长与间隙无关,”他说。“我们的激光器将属于这一类。只要改变纳米管的直径,我们就应该能够调整等离子共振能量而不必担心带隙。“

Kono还期望门控和定向纳米管薄膜将为物理学家提供研究Luttinger液体的机会,这 是一维导体中相互作用电子的理论收集。

“预测一维金属与二维和三维非常不同,”科诺说。“碳纳米管是观察Luttinger液体行为的最佳候选者之一。研究单管很困难,但我们有一个宏观的一维系统。通过掺杂或门控,我们可以调节 费米能量。我们甚至可以将1-D半导体转换为1-D金属。所以这是研究这种物理学的理想系统。“

郑重声明:本文版权归原作者所有,转载文章仅为传播更多信息之目的,如作者信息标记有误,请第一时间联系我们修改或删除,多谢。