2D «антена» посилює випромінювання світла від вуглецевих нанотрубок

Плоский лист атомів може діяти як свого роду антена, яка поглинає світло і спрямовує його енергію в вуглецеві нанотрубки, завдяки чому вони яскраво світяться. Цей прогрес може допомогти в розробці крихітних світловипромінюючих пристроїв, які використовуватимуть квантові ефекти.

Вуглецеві нанотрубки нагадують дуже тонкі порожнисті дроти діаметром лише нанометр або близько того. Вони можуть генерувати світло різними способами. Наприклад, лазерний імпульс може збуджувати негативно заряджені електрони всередині матеріалу, залишаючи позитивно заряджені «дірки». Ці протилежні заряди можуть об’єднуватися, утворюючи енергетичний стан, відомий як екситон, який може проходити відносно далеко вздовж нанотрубки, перш ніж вивільнити свою енергію у вигляді світла. В принципі, це явище можна використати для створення високоефективних нанорозмірних світловипромінюючих пристроїв.

На жаль, є три перешкоди для використання лазера для генерації екситонів у вуглецевих нанотрубках. По-перше, лазерний промінь зазвичай у 1000 разів ширший за нанотрубку, тому матеріал фактично поглинає дуже малу частину його енергії. По-друге, світлові хвилі повинні ідеально вирівнюватися з нанотрубкою, щоб ефективно передавати свою енергію. Нарешті, електрони у вуглецевій нанотрубці можуть поглинати лише дуже певну довжину хвилі світла.

Щоб подолати ці обмеження, команда під керівництвом Юічіро Като з лабораторії нанорозмірної квантової фотоніки RIKEN звернулася до іншого класу наноматеріалів, відомих як 2D-матеріали. Ці плоскі листи мають товщину лише кілька атомів, але вони можуть бути набагато ширшими за лазерний промінь і набагато краще перетворюють лазерні імпульси в екситони.

Дослідники виростили вуглецеві нанотрубки над траншеєю, висіченою з ізоляційного матеріалу. Потім вони помістили поверх нанотрубок атомарно тонку пластинку диселеніду вольфраму. Коли лазерні імпульси потрапляють на цю луску, вони генерують екситони, які рухаються всередину нанотрубки та вздовж її довжини, перш ніж випустити світло з довшою довжиною хвилі, ніж лазер. Кожному екситону знадобилася лише одна трильйонна частка секунди, щоб пройти з двовимірного матеріалу в нанотрубку. Стаття опублікована в журналі Nature Communications.

Випробовуючи нанотрубки з різними структурами, які впливають на вирішальні рівні енергії в матеріалі, дослідники визначили ідеальні форми нанотрубок, які полегшують перенесення екситонів із 2D матеріалу.

Грунтуючись на цьому результаті, вони мають намір використовувати зонну інженерію — корисну концепцію в напівпровідниковій техніці для створення пристроїв із чудовими властивостями — в атомно тонкому масштабі. «Коли смугова інженерія застосовується до низькорозмірних напівпровідників, очікується поява нових фізичних властивостей та інноваційних функцій», — каже Като.

«Ми сподіваємося використати цю концепцію для розробки фотонних та оптоелектронних пристроїв товщиною всього в кілька атомних шарів», — додає Като. «Якщо ми зможемо зменшити їх до атомно тонкої межі, ми очікуємо появи нових квантових ефектів, які можуть стати в нагоді для майбутніх квантових технологій».