Los investigadores de nanotecnología que estudian pequeños paquetes de nanotubos de carbono han descubierto una firma óptica que muestra que los excitones unidos a un solo nanotubo están acompañados de excitones que forman túneles a través de nanotubos que interactúan estrechamente. Esa acción de túnel cuántico podría afectar la distribución de energía en las redes de nanotubos de carbono, con implicaciones para películas emisoras de luz y aplicaciones de captación de luz.

"La observación de este comportamiento en los nanotubos de carbono sugiere que existe la posibilidad de detectar y controlar una respuesta similar en los más complejos, semiconductores multicapa y heteroestructuras de metal semiconductor, "dijo Stephen Doorn, del Centro de Nanotecnologías Integradas de Los Alamos y coautor del estudio, publicado recientemente en Comunicaciones de la naturaleza .

Los nanotubos de carbono son cilindros de grafeno con sus átomos dispuestos en hexágonos. Son de interés como emisores de luz infrarroja cercana y materiales semiconductores a nanoescala para aplicaciones de electrónica y optoelectrónica.

Los excitones transportan energía de manera efectiva en nanotubos de carbono como pares fuertemente unidos de carga negativa y positiva (electrones y huecos). Las excitaciones se crean cuando el material absorbe la luz. Las interacciones entre elementos individuales de nanomateriales pueden dar lugar a nuevos comportamientos emergentes, como la condensación de excitones. Los excitones de intertubos de nanotubos de carbono, esos excitones que forman un túnel entre los tubos, se suman a la gama de comportamientos de excitones observados.

En el estudio, un equipo de investigación colaborativo del Laboratorio Nacional de Los Alamos, el Centro de Nanotecnologías Integradas y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología demostraron que la espectroscopia Raman (una forma de dispersión de luz) puede proporcionar una caracterización más extensa de los excitones entre tubos. El equipo utilizó separaciones químicas para aislar una muestra de un solo tipo de estructura de nanotubos de carbono. Los nanotubos de estas muestras se agruparon para forzar las interacciones entre los nanotubos individuales.

Para perfilar las energías de excitones de nanotubos de carbono, el equipo midió la intensidad de la luz dispersa Raman a medida que variaban la longitud de onda de la luz. Asombrosamente, el equipo encontró una característica nítida previamente no observada en el perfil Raman de los nanotubos de carbono agrupados. Esta característica inesperada no se encontró para los nanotubos de carbono individuales que no interactúan.

El análisis teórico mostró que la geometría de empaquetamiento única producida en haces compuestos por una sola estructura de nanotubos de carbono da como resultado cadenas de átomos de carbono que interactúan estrechamente. Estas cadenas promueven la formación de excitones entre tubos. Un análisis más detallado mostró que los excitones entre tubos por sí mismos no pueden interactuar con la luz de una manera que genere la característica nítida. En lugar de, una interacción entre los excitones intertubos y los excitones intratubos conduce a un proceso de dispersión de excitones que se acompaña de una interferencia cuántica. Tal interferencia da como resultado una característica asimétrica aguda conocida como resonancia de Fano que se identificó en la medición Raman.

Los hallazgos del equipo ahora generalizan este comportamiento a una nueva clase de respuesta de excitones en ensamblajes de nanotubos de carbono, sugiriendo que tales comportamientos se pueden encontrar en una clase más amplia de materiales compuestos cuánticos bidimensionales.