Los nanotubos de carbono se parecen a alambres huecos y muy delgados con un diámetro de apenas un nanómetro aproximadamente. Pueden generar luz de varias formas. Por ejemplo, un pulso láser puede excitar electrones cargados negativamente dentro del material, dejando "agujeros" cargados positivamente. Estas cargas opuestas pueden emparejarse para formar un estado energético conocido como excitón, que puede viajar relativamente lejos a lo largo de un nanotubo antes de liberar su energía en forma de luz.

En principio, este fenómeno podría aprovecharse para fabricar dispositivos emisores de luz a nanoescala altamente eficientes.

Desafortunadamente, existen tres obstáculos para utilizar un láser para generar excitones dentro de nanotubos de carbono. En primer lugar, un rayo láser suele ser 1.000 veces más ancho que un nanotubo, por lo que el material absorbe muy poca de su energía. En segundo lugar, las ondas de luz deben alinearse perfectamente con el nanotubo para entregar su energía de manera efectiva. Por último, los electrones de un nanotubo de carbono sólo pueden absorber longitudes de onda de luz muy específicas.

Para superar estas limitaciones, un equipo dirigido por Yuichiro Kato del Laboratorio de Fotónica Cuántica a Nanoescala de RIKEN recurrió a otra clase de nanomateriales, conocidos como materiales 2D. Estas láminas planas tienen sólo unos pocos átomos de espesor, pero pueden ser mucho más anchas que un rayo láser y son mucho mejores para convertir pulsos láser en excitones.

Los investigadores cultivaron nanotubos de carbono sobre una zanja tallada en un material aislante. Luego colocaron una escama atómicamente delgada de diseleniuro de tungsteno encima de los nanotubos. Cuando los pulsos láser golpearon esta escama, generaron excitones que se movieron dentro del nanotubo y a lo largo de su longitud, antes de liberar luz de una longitud de onda más larga que el láser. Sólo tomó una billonésima de segundo para que cada excitón pasara del material 2D al nanotubo.

El artículo se publica en la revista Nature Communications. .

Al probar nanotubos con una variedad de estructuras diferentes que afectan niveles de energía cruciales dentro del material, los investigadores identificaron formas ideales de nanotubos que facilitan la transferencia de excitones desde el material 2D.

Basándose en este resultado, pretenden utilizar la ingeniería de bandas, un concepto útil en ingeniería de semiconductores para realizar dispositivos con propiedades superiores, a escala atómicamente delgada. "Cuando la ingeniería de bandas se aplica a semiconductores de baja dimensión, se espera que surjan nuevas propiedades físicas y funcionalidades innovadoras", afirma Kato.

"Esperamos utilizar este concepto para desarrollar dispositivos fotónicos y optoelectrónicos que tengan sólo unas pocas capas atómicas de espesor", añade Kato. "Si podemos reducirlos al límite atómico, esperamos que surjan nuevos efectos cuánticos, que pueden resultar útiles para futuras tecnologías cuánticas".