2D-antenni tehostaa hiilinanoputkien valontuottoa

Vain muutaman atomin paksuinen "antenni" voittaa ongelmat valon aikaansaamiseksi hiilinanoputkissa

Tasainen atomilevy voi toimia eräänlaisena antennina, joka absorboi valoa ja suppiloi valon energian hiilinanoputkiin, jolloin ne hehkuvat kirkkaasti. Tämä edistysaskel voisi auttaa kehittämään pieniä tulevaisuuden valoa emittoivia rakenteita, jotka hyödyntävät kvanttiefektejä.

Hiilinanoputket voivat tuottaa valoa monin eri tavoin esimerkiksi laserpulssien avulla. Valitettavasti laserin käyttämiselle eksitonien tuottamiseen hiilinanoputkissa on kolme estettä.

Ensinnäkin lasersäde on tyypillisesti 1000 kertaa nanoputkia leveämpi, joten suurin osa lasersäteestä menee hukkaan. Toiseksi valoaaltojen on oltava täydellisesti linjassa nanoputken kanssa, jotta energia siirtyisi tehokkaasti. Lopuksi hiilinanoputken elektronit voivat absorboida hyvin vain tietyt valon aallonpituudet.

Näiden rajoitusten voittamiseksi RIKEN Nanoscale Quantum Photonics Laboratoryn Yuichiro Katon johtama ryhmä siirtyi 2D-materiaalien pariin. Ne ovat vain muutaman atomin paksuisia, mutta ne voivat olla paljon leveämpiä kuin lasersäde ja ne ovat paljon parempia muuntamaan laserpulssit eksitoneiksi.

Tutkijat kasvattivat hiilinanoputkia eristemateriaaliin kaiverretun kaivannon päällä. Sitten he asettivat atomisesti ohuen volframidiselenidihiutaleen nanoputkien päälle. Kun laserpulssit osuivat tähän hiutaleeseen, ne synnyttivät eksitoneja, jotka siirtyivät nanoputkessa sen pituutta pitkin ennen kuin ne vapauttavat valoa, jonka aallonpituus on suurempi kuin laserin. Kesti vain sekunnin biljoonasosan, ennen kuin jokainen eksitoni siirtyi 2D-materiaalista nanoputkeen.

Testaamalla nanoputkia, joissa on erilaisiarakenteita, jotka vaikuttavat materiaalin tärkeisiin energiatasoihin, tutkijat tunnistivat ihanteelliset nanoputkimuodot, jotka helpottavat eksitonien siirtymistä 2D-materiaalista nanoputkeen.

Tämän tuloksen perusteella he aikovat käyttää kaistasuunnittelua – hyödyllistä puolijohdetekniikan konseptia – atomin ohuessa mittakaavassa. "Kun kaistasuunnittelua sovelletaan pieniulotteisiin puolijohteisiin, uusia fyysisiä ominaisuuksia ja innovatiivisia toimintoja odotetaan ilmaantuvan", Kato sanoo.

"Toivomme hyödyntävämme tätä konseptia kehittääksemme fotonisia ja optoelektronisia laitteita, jotka ovat vain muutaman atomikerroksen paksuisia", Kato lisää. "Jos voimme kutistaa ne atomin ohuelle rajalle, odotamme uusia kvanttiefektejä, joista voi olla hyötyä tuleville kvanttiteknologioille."

Aiheesta aiemmin:

Hiilinanoputket käyttöön

Hiilinanoputki kvanttibittien kodiksi

Uusia ovia nanofotoniikan maailmaan