Adaptar las dimensiones y otros atributos de los nanotubos de carbono puede aumentar sustancialmente la cantidad de luz que emiten. tres físicos de RIKEN lo han descubierto. Este hallazgo promete conducir al desarrollo de dispositivos fotónicos altamente eficientes.

Los nanotubos de carbono son cilindros diminutos que tienen entre un nanómetro y unos pocos nanómetros de diámetro, pero pueden tener hasta varios micrómetros de longitud. Sus excelentes propiedades electrónicas y mecánicas los hacen atractivos para su uso en dispositivos energéticamente eficientes. En particular, un defecto en las estructuras de carbono atómico puro de los nanotubos puede emitir fotones de luz individuales, un componente vital para muchos dispositivos a nanoescala que son necesarios para la computación cuántica y las comunicaciones.

En un dispositivo emisor de luz típico, la luz láser o un campo eléctrico crea pares de electrones y huecos conocidos como excitones. Algún tiempo después, el electrón y el hueco se recombinan y el excitón se aniquila. Dependiendo de la simetría del excitón, la aniquilación puede resultar en la emisión de luz o no.

Aproximadamente la mitad de los excitones creados son brillantes, mientras que la otra mitad son oscuros y se recombinan sin emitir luz. Algunos excitones oscuros pueden convertirse en excitones brillantes y luego emitir luz al aniquilarse. Pero los nanotubos de carbono tienden a tener bajas eficiencias de emisión de luz, principalmente porque los excitones oscuros a menudo se recombinan antes de que puedan convertirse en excitones brillantes.

Ahora, Yuichiro Kato y dos colegas, todo en el laboratorio de fotónica cuántica a nanoescala de RIKEN, han descubierto que al adaptar las especificaciones de los nanotubos, más de la mitad de los excitones oscuros se pueden convertir en brillantes, mejorando así en gran medida la salida de luz de los nanotubos (Fig. 1).

Los investigadores realizaron mediciones de luminiscencia de resolución temporal en una variedad de nanotubos de carbono. Al ajustar las trazas de luminiscencia resueltas en el tiempo con un modelo, encontraron que la tasa de conversión entre excitones oscuros y brillantes depende de la longitud, diámetro y quiralidad de los nanotubos. Los tres investigadores estimaron que en nanotubos más largos, la tasa de conversión de excitones oscuros a brillantes fue tan alta que más de la mitad de los excitones oscuros contribuyeron a la luminiscencia total.

"Estos hallazgos muestran que los excitones oscuros pueden afectar significativamente la cinética de emisión en materiales de baja dimensión como los nanotubos, ", dice Kato. Por lo tanto, apuntan al potencial de usar interacciones de superficie para diseñar el proceso de conversión de oscuro a brillante".

El equipo ahora tiene la intención de explorar el potencial de aprovechar este efecto. "Estamos interesados ​​en utilizar este proceso de conversión eficiente para lograr emisores de fotón único de nanotubos de carbono que tengan un mejor rendimiento, "dice Kato.