Un nuevo efecto cuántico observado en una película de nanotubos de carbono podría conducir al desarrollo de láseres únicos y otros dispositivos optoelectrónicos. según científicos de la Universidad Rice y la Universidad Metropolitana de Tokio.

El equipo de Rice-Tokyo informó un avance en la capacidad de manipular la luz a escala cuántica mediante el uso de nanotubos de carbono de pared simple como campos de confinamiento cuántico plasmónico.

El fenómeno encontrado en el laboratorio Rice del físico Junichiro Kono podría ser clave para desarrollar dispositivos optoelectrónicos como nanoescala, láseres de infrarrojo cercano que emiten haces continuos en longitudes de onda demasiado cortas para ser producidas por la tecnología actual.

La nueva investigación se detalla en Comunicaciones de la naturaleza .

El proyecto surgió a raíz del descubrimiento del grupo Kono de una forma de lograr una alineación muy estrecha de los nanotubos de carbono en películas del tamaño de una oblea. Estas películas permitieron experimentos que eran demasiado difíciles de realizar con agregados de nanotubos simples o enredados y llamaron la atención del físico del metropolitano de Tokio Kazuhiro Yanagi. que estudia la física de la materia condensada en nanomateriales.

"Él trajo la técnica de compuerta (que controla la densidad de electrones en la película de nanotubos), y proporcionamos la técnica de alineación, "Dijo Kono." Por primera vez pudimos hacer una película de gran área de nanotubos alineados con una puerta que nos permite inyectar y sacar una gran densidad de electrones libres ".

"La técnica de la puerta es muy interesante, pero los nanotubos estaban orientados aleatoriamente en las películas que había usado, ", Dijo Yanagi." Esa situación fue muy frustrante porque no pude obtener un conocimiento preciso de las características unidimensionales de los nanotubos en tales películas, que es más importante. Las películas que solo puede proporcionar el grupo Kono son increíbles porque nos permitieron abordar este tema ".

Sus tecnologías combinadas les permiten bombear electrones en nanotubos que tienen poco más de un nanómetro de ancho y luego los excitan con luz polarizada. El ancho de los nanotubos atrapó los electrones en pozos cuánticos, en el que la energía de los átomos y las partículas subatómicas está "confinada" a ciertos estados, o subbandas.

Luego, la luz los incitó a oscilar muy rápidamente entre las paredes. Con suficientes electrones Kono dijo, empezaron a actuar como plasmones.

"Los plasmones son oscilaciones de carga colectiva en una estructura confinada, ", dijo." Si tienes un plato, una película, un listón, una partícula o una esfera y perturba el sistema (generalmente con un haz de luz), estos portadores libres se mueven colectivamente con una frecuencia característica. "El efecto está determinado por el número de electrones y el tamaño y la forma del objeto.

Debido a que los nanotubos en los experimentos de Rice eran tan delgados, la energía entre las subbandas cuantificadas era comparable a la energía del plasmón, Dijo Kono. "Este es el régimen cuántico de los plasmones, donde la transición entre subbandas se denomina plasmón entre subbandas. La gente ha estudiado esto en pozos cuánticos de semiconductores artificiales en el rango de longitud de onda del infrarrojo muy lejano, pero esta es la primera vez que se observa en un material de baja dimensión natural y en una longitud de onda tan corta ".

Detectar una dependencia de voltaje de puerta muy complicada en la respuesta plasmónica fue una sorpresa, al igual que su aparición en nanotubos metálicos y semiconductores de pared simple. "Al examinar la teoría básica de las interacciones luz-nanotubos, pudimos derivar una fórmula para la energía de resonancia, "Dijo Kono." Para nuestra sorpresa, la fórmula era muy sencilla. Sólo importa el diámetro del nanotubo ".

Los investigadores creen que el fenómeno podría conducir a dispositivos avanzados para las comunicaciones, espectroscopia e imagenología, así como láseres en cascada cuántica de infrarrojo cercano altamente sintonizables.

Mientras que los láseres semiconductores tradicionales dependen del ancho de banda prohibida del material láser, los láseres de cascada cuántica no lo hacen, dijo Weilu Gao, coautor del estudio e investigador postdoctoral en el grupo de Kono que encabeza el desarrollo de dispositivos utilizando nanotubos alineados. "La longitud de onda es independiente de la brecha, ", dijo." Nuestro láser estaría en esta categoría. Con solo cambiar el diámetro del nanotubo, deberíamos poder sintonizar la energía de resonancia del plasma sin preocuparnos por la banda prohibida ".

Kono también espera que las películas de nanotubos alineadas y cerradas den a los físicos la oportunidad de estudiar los líquidos de Luttinger, colecciones teóricas de electrones que interactúan en conductores unidimensionales.

"Se predice que los metales unidimensionales serán muy diferentes de los de 2-D y 3-D, "Dijo Kono." Los nanotubos de carbono son algunos de los mejores candidatos para observar el comportamiento de los líquidos de Luttinger. Es difícil estudiar un solo tubo, pero tenemos un sistema macroscópico unidimensional. Por dopaje o puerta, podemos sintonizar la energía de Fermi. Incluso podemos convertir un semiconductor 1-D en un metal 1-D. Así que este es un sistema ideal para estudiar este tipo de física ".

Yanagi, profesor de física de la materia condensada en la Universidad Metropolitana de Tokio, es el autor principal del artículo. Los coautores son el estudiante graduado Ryotaro Okada, estudiante de posgrado Yota Ichinose y Yohei Yomogida, profesor asistente de física de la materia condensada, todo en Tokyo Metropolitan, y la estudiante de posgrado Fumiya Katsutani en Rice. Kono es profesor de ingeniería eléctrica e informática, de física y astronomía, y de ciencia de materiales y nanoingeniería.