Kuinka hiilinanoputket antavat enemmän valoa kuin saavat

Hiilinanoputket voivat emittoida valoa, jolla on suurempi energia kuin niihin paistanut valo – nyt tutkijat arvelevat ymmärtävänsä mekanismin tämän tempun takana

Kolme RIKEN-fyysikkoa ovat havainneet, kuinka pienet hiiliputket sylkevät valoa, joka on energisempi kuin niihin loistanut valo. Tämä löytö voisi auttaa hyödyntämään prosessia sovelluksissa, kuten aurinkovoimassa ja biologisessa kuvantamisessa.

Tavallisessa fotoluminesenssissa valo osuu materiaaliin ja potkaisee elektronin korkeammalle energiatasolle jättäen jälkeensä positiivisesti varautuneen "aukon".

Aluksi elektroni-aukko -pari tarttuu yhteen tilassa, joka tunnetaan nimellä eksitoni. Mutta lopulta elektroni ja aukko yhdistyvät uudelleen ja emittoivat prosessissa valoa.

Normaalissa fotoluminesenssissa eksitoni menettää energiaa materiaaliin ja siten emittoituva valo kuljettaa pois vähemmän energiaa kuin sisään tuleva valo.

Aiheen aiemmat teoriat olivat ehdottaneet, että fotoluminenssinen ylösmuunnos (UCPL) voisi tapahtua vain yksiseinäisissä hiilinanoputkissa, jos eksitonit jäävät väliaikaisesti loukkuun nanoputkirakenteen vikojen vuoksi. Mutta tutkijat havaitsivat, että UCPL tapahtui erittäin tehokkaasti jopa virheettömissä nanoputkissa, mikä viittaa siihen, että vaihtoehtoinen mekanismi oli toiminnassa.

Trio havaitsi, että kun elektroni virittyy valolla, se saa samanaikaisen energianlisäyksen fononilta muodostaen "tumman eksitonin" -tilan. Sitten menetettyään hieman energiaa, eksitoni lopulta emittoi valoa suuremmalla energialla kuin siihen tuleva laser.

Lämpötilan nostaminen tuotti voimakkaamman UCPL-vaikutuksen, mikä vahvisti mallin tekemät ennusteet. "Fononit ovat runsaampia korkeammissa lämpötiloissa, mikä lisää fononivälitteisten siirtymien todennäköisyyttä", tutkijat toteavat tutkimusorganisaationsa tiedotteessa.

Tutkijat aikovat tutkia mahdollisuutta jäähdyttää nanoputki käyttämällä laservalaistusta lämpöenergian poistamiseksi UCPL:llä ja tutkia aiheen energiankeruumahdollisuuksia sopivan nanoputkipohjaisen laitteen luomiseksi.

"Luomalla UCPL:n luontaisen mallin yksiseinäisiin hiilinanoputkiin toivomme avaavamme uusia mahdollisuuksia kehittyneiden optoelektronisten ja fotonisten laitteiden suunnitteluun", Kato sanoo.

Aiheesta aiemmin:

Fotonien napakymppi ja tehokas ylösmuunnos

Perovskiiteistä 1D-nanolankoja ja topologisia polaroneita