在納米管量子阱中觸發(fā)了等離子體

據(jù)萊斯大學(xué)和東京都立大學(xué)的科學(xué)家稱(chēng)，在碳納米管薄膜中觀察到的一種新的量子效應(yīng)可能導(dǎo)致獨(dú)特的激光器和其他光電子器件的發(fā)展。

Rice-Tokyo團(tuán)隊(duì)報(bào)道了 通過(guò)使用單壁碳納米管作為等離子體量子限制場(chǎng)來(lái)在量子尺度上操縱光的能力的進(jìn)步 。

在物理學(xué)家Junichiro Kono的Rice實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)的這種現(xiàn)象可能是開(kāi)發(fā)光電器件的關(guān)鍵，如納米級(jí)近紅外激光器發(fā)射波長(zhǎng)太短的連續(xù)光束，無(wú)法通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)生成。

新研究在Nature Communications中有詳細(xì)介紹 。

隨著Kono集團(tuán)發(fā)現(xiàn)了一種在晶圓級(jí)薄膜中實(shí)現(xiàn)碳納米管非常緊密排列的方法，該項(xiàng)目匯集在一起 。這些薄膜允許進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)太難以在納米管的單個(gè)或纏結(jié)聚集體上進(jìn)行，并引起東京都物理學(xué)家Kazuhiro Yanagi的注意，他研究納米材料中的凝聚態(tài)物理。

“他帶來(lái)了門(mén)控技術(shù)(控制納米管薄膜中電子的密度)，我們提供了對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，”Kono說(shuō)。“我們第一次能夠制作一塊大面積對(duì)準(zhǔn)的納米管薄膜，其柵極允許我們注入并取出大量自由電子。”

“門(mén)控技術(shù)非常有趣，但納米管在我使用的薄膜中隨機(jī)取向，”Yanagi說(shuō)。“這種情況非常令人沮喪，因?yàn)槲覠o(wú)法準(zhǔn)確了解這類(lèi)薄膜中納米管的一維特性，這是最重要的。只能由Kono集團(tuán)提供的電影令人驚嘆，因?yàn)樗鼈冏屛覀兡軌蚪鉀Q這個(gè)問(wèn)題。“

他們的組合技術(shù)讓他們將電子泵入略高于納米寬的納米管中，然后用偏振光激發(fā)它們。納米管的寬度將電子捕獲在 量子阱中，其中原子和亞原子粒子的能量被“限制”到某些狀態(tài)或子帶。

光然后促使它們?cè)趬Ρ谥g非?？焖俚卣袷??？浦Z說(shuō)，有了足夠的電子，他們開(kāi)始充當(dāng)?shù)入x子體。

“ 等離子體激元 是一種受限結(jié)構(gòu)中的集體電荷振蕩，”他說(shuō)。“如果你有一個(gè)盤(pán)子，一個(gè)膠片，一個(gè)帶子，一個(gè)粒子或一個(gè)球體，你會(huì)擾亂系統(tǒng)(通常用光束)，這些自由載體會(huì)以一個(gè)特征頻率共同移動(dòng)。”效果取決于電子和物體的大小和形狀。

Kono說(shuō)，由于Rice實(shí)驗(yàn)中的納米管非常薄，量子化子帶之間的能量 與等離子體能量相當(dāng)。“這是等離子體的量子狀態(tài)，其中子帶間躍遷稱(chēng)為子帶間等離子體。人們已經(jīng)在非常遠(yuǎn)紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)的人造半導(dǎo)體量子阱中對(duì)此進(jìn)行了研究，但這是第一次在天然存在的低維材料和短波長(zhǎng)下觀察到它。

檢測(cè)等離子體響應(yīng)中非常復(fù)雜的柵極電壓依賴(lài)性是令人驚訝的，因?yàn)樗诮饘俸桶雽?dǎo)體單壁納米管中的出現(xiàn)。“通過(guò)研究光 - 納米管相互作用的基本理論，我們能夠推導(dǎo)出共振能量的公式，”科諾說(shuō)。“令我們驚訝的是，這個(gè)公式非常簡(jiǎn)單。只有納米管的直徑很重要。“

研究人員認(rèn)為，這種現(xiàn)象可能導(dǎo)致先進(jìn)的通信，光譜和成像設(shè)備，以及高度可調(diào)的近紅外量子級(jí)聯(lián)激光器。

雖然 傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器依賴(lài)于激光材料帶隙的寬度，但 量子級(jí)聯(lián)激光器 卻沒(méi)有，該研究的合著者和科諾集團(tuán)的博士后研究人員Weilu Gao表示，該研究使用對(duì)準(zhǔn)的納米管進(jìn)行器件開(kāi)發(fā)。“波長(zhǎng)與間隙無(wú)關(guān)，”他說(shuō)。“我們的激光器將屬于這一類(lèi)。只要改變納米管的直徑，我們就應(yīng)該能夠調(diào)整等離子共振能量而不必?fù)?dān)心帶隙。“

Kono還期望門(mén)控和定向納米管薄膜將為物理學(xué)家提供研究Luttinger液體的機(jī)會(huì)，這 是一維導(dǎo)體中相互作用電子的理論收集。

“預(yù)測(cè)一維金屬與二維和三維非常不同，”科諾說(shuō)。“碳納米管是觀察Luttinger液體行為的最佳候選者之一。研究單管很困難，但我們有一個(gè)宏觀的一維系統(tǒng)。通過(guò)摻雜或門(mén)控，我們可以調(diào)節(jié) 費(fèi)米能量。我們甚至可以將1-D半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換為1-D金屬。所以這是研究這種物理學(xué)的理想系統(tǒng)。“