Jättimäisiä valon muunnosvaikutuksia hiilinanoputkilla

Ricen yliopiston tutkijat ovat luoneet suuria, hyvin järjestäytyneitä kiraalisista hiilinanoputkista (CNT) koostuvia kalvoja. Kiraalisissa hiilinanoputkissa on joko vasen- tai oikeakätinen kierre. Mittaukset osoittivat, että kiteiset kalvot pystyvät muuttamaan valon väriä kahdesta kolmeen kertaluokkaa nopeammin kuin perinteiset materiaalit.

"Tyypillisesti, kun meillä on makroskooppinen hiilinanoputkien kokonaisuus, puolet niistä on oikeakätisiä ja toinen puoli vasenkätisiä", sanoo tutkimuksen vanhempi tutkija Junichiro Kono

"Niiden kiraaliset ominaisuudet siis kumoavat toisensa." Tämä kumoamisvaikutus on estänyt tutkijoita mittaamasta yhtä materiaalin odotetuimmista ominaisuuksista, toisen harmonisen generointia (SHG), joka tapahtuu, kun kaksi valoaaltoa kulkee materiaalin läpi ja yhdistyy yhdeksi uudeksi aalloksi, jolla on kaksinkertainen taajuus ja puolet aallonpituudesta. Esimerkiksi SHG:n ansiosta kaksi ihmissilmälle näkymätöntä infrapunavaloaaltoa voidaan muuntaa näkyväksi valoksi.

"Teorian mukaan kiraalisen hiilinanoputken pitäisi olla erityisen hyvä tällaisessa muuntamisessa", sanoo materiaalitieteilijä Hanyu Zhu. "Kukaan ei kuitenkaan pystynyt mittaamaan tätä kykyä, koska se vaatii korkealaatuista, puhdasta kiraalista hiilinanoputkikidettä."

Ricen johtama tiimi ratkaisi haasteen eristämällä nanoputkia yhdellä kätisyydellä – vaiheen, jonka Kazuhiro Yanagin ryhmä suoritti Tokion metropoliyliopistossa – suuntaamalla ne samaan suuntaan ja kokoamalla ne ohuiksi kalvoiksi, joiden leveys on useita senttimetrejä.

Laserpulsseilla valaistuna kiraaliset hiilinanoputkikalvot tuottivat ”jättimäisen” SHG-vasteen yksiulotteisen rakenteensa ansiosta. ”Yksiulotteisuus” kuvaa materiaaleja, joilla on kaksi nanometrin kokoluokkaa olevaa ulottuvuutta ja kolmas, paljon suurempi ulottuvuus, joka synnyttää lanka- tai putkimaisia arkkitehtuureja.

Tämä rakenne tehostaa valon ja aineen välisiä vuorovaikutuksia, erityisesti kytkettyjen elektroniaukkotilojen kautta, jotka tunnetaan eksitoneina. Kaksi tiimin jäsentä, Vasili Perebeinos Buffalon yliopistosta ja Riichiro Saito Tohokun yliopistosta, teorioivat eksitonien merkityksen SHG-prosessissa.

”Ensimmäistä kertaa pystyimme ennustamaan tarkemmin yksiulotteisen toisen asteen epälineaarisen optisen vasteen ja osoitimme sen kokeellisesti”, sanoi Zhu, materiaalitieteen ja nanotekniikan apulaisprofessori.

Kiraalisilla hiilinanoputkilla (CNT) on jo tärkeä rooli lasertekniikassa ja optoelektronisissa järjestelmissä. Mitä voimakkaampi SHG-ilmiö on, sitä pienempiä rakenteita voidaan käyttää valon ohjaamiseen ja muuntamiseen teknologiaa varten. Kiraaliset CNT:t eivät ainoastaan ylitä nykyisiä materiaaleja SHG:n suhteen, vaan ne ovat myös joustavia, mikä laajentaa niiden sovellusalueita.

”CNT on lupaava joustava puolijohde elektroniikkaan ja fotoniikkaan”, Zhu sanoi. ”Kalvo voidaan helposti integroida piifotoniikkaan optista tiedonkäsittelyä ja tiedonsiirtoa varten.”

Aiheesta aiemmin:

Ohut suojamateriaali yhdistää EMI- ja neutronisuojauksen

Hiilinanoputkista joustavia generaattoreita ja antureita

Hiilinanoputkia ja atomeja energian varastoinnille