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，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)隊報道了 通過使用單壁碳納米管作為等離子體量子限制場來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實驗室中發(fā)現(xiàn)的這種現(xiàn)象可能是開發(fā)光電器件的關(guān)鍵，如納米級近紅外激光器發(fā)射波長太短的連續(xù)光束，無法通過現(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)了一種在晶圓級薄膜中實現(xiàn)碳納米管非常緊密排列的方法，該項目匯集在一起 。這些薄膜允許進(jìn)行實驗，這些實驗太難以在納米管的單個或纏結(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。

“他帶來了門控技術(shù)(控制納米管薄膜中電子的密度)，我們提供了對準(zhǔn)技術(shù)，”Kono說。“我們第一次能夠制作一塊大面積對準(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。“這種情況非常令人沮喪，因為我無法準(zhǔn)確了解這類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，因為它們讓我們能夠解決這個問題。“

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。

光然后促使它們在墻壁之間非?？焖俚卣袷??？浦Z說，有了足夠的電子，他們開始充當(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。“如果你有一個盤子，一個膠片，一個帶子，一個粒子或一個球體，你會擾亂系統(tǒng)(通常用光束)，這些自由載體會以一個特征頻率共同移動。”效果取決于電子和物體的大小和形狀。

Kono說，由于Rice實驗中的納米管非常薄，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)，其中子帶間躍遷稱為子帶間等離子體。人們已經(jīng)在非常遠(yuǎn)紅外波長范圍內(nèi)的人造半導(dǎo)體量子阱中對此進(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下觀察到它。

檢測等離子體響應(yīng)中非常復(fù)雜的柵極電壓依賴性是令人驚訝的，因為它在金屬和半導(dǎo)體單壁納米管中的出現(xiàn)。“通過研究光 - 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。“令我們驚訝的是，這個公式非常簡單。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)的近紅外量子級聯(lián)激光器。

雖然 傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器依賴于激光材料帶隙的寬度，但 量子級聯(lián)激光器 卻沒有，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，該研究使用對準(zhǔn)的納米管進(jìn)行器件開發(fā)。“波長與間隙無關(guān)，”他說。“我們的激光器將屬于這一類。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，這 是一維導(dǎo)體中相互作用電子的理論收集。

“預(yù)測一維金屬與二維和三維非常不同，”科諾說。“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，但我們有一個宏觀的一維系統(tǒng)。通過摻雜或門控，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)。“