Des chercheurs en nanotechnologie qui étudient de petits faisceaux de nanotubes de carbone ont découvert une signature optique montrant que les excitons liés à un seul nanotube sont accompagnés de tunnels d'excitons à travers des nanotubes en interaction étroite. Cette action de tunnel quantique pourrait avoir un impact sur la distribution d'énergie dans les réseaux de nanotubes de carbone, avec des implications pour les films électroluminescents et les applications de récolte de lumière.

"L'observation de ce comportement dans les nanotubes de carbone suggère qu'il existe un potentiel pour détecter et contrôler une réponse similaire dans des conditions plus complexes, des hétérostructures semi-conductrices multicouches et semi-conducteur-métal, " a déclaré Stephen Doorn, du Center for Integrated Nanotechnologies de Los Alamos et co-auteur de l'étude, récemment publié dans Communication Nature .

Les nanotubes de carbone sont des cylindres de graphène dont les atomes sont disposés en hexagones. Ils présentent un intérêt en tant qu'émetteurs de lumière dans le proche infrarouge et matériaux semi-conducteurs à l'échelle nanométrique pour les applications électroniques et optoélectroniques.

Les excitons transportent efficacement l'énergie dans les nanotubes de carbone sous forme de paires étroitement liées de charges négatives et positives (électrons et trous). Des excitations sont créées lorsque la lumière est absorbée par le matériau. Les interactions entre les éléments individuels des nanomatériaux peuvent donner lieu à de nouveaux comportements émergents, comme la condensation d'excitons. Les excitons intertubes de nanotubes de carbone, ces excitons qui creusent un tunnel entre les tubes, s'ajoutent à la gamme de comportements d'excitons observés.

Dans l'étude, une équipe de recherche collaborative du Laboratoire national de Los Alamos, le Center for Integrated Nanotechnologies et le National Institute of Standards and Technology ont montré que la spectroscopie Raman (une forme de diffusion de la lumière) peut fournir une caractérisation plus approfondie des excitons intertubes. L'équipe a utilisé des séparations chimiques pour isoler un échantillon d'un seul type de structure de nanotubes de carbone. Les nanotubes de ces échantillons ont ensuite été regroupés pour forcer les interactions entre les nanotubes individuels.

Pour profiler les énergies des excitons des nanotubes de carbone, l'équipe a mesuré l'intensité de la lumière diffusée Raman en faisant varier la longueur d'onde de la lumière. Étonnamment, l'équipe a découvert une caractéristique nette auparavant non observée dans le profil Raman des nanotubes de carbone groupés. Cette caractéristique inattendue n'a pas été trouvée pour les nanotubes de carbone individuels sans interaction.

L'analyse théorique a montré que la géométrie d'emballage unique produite dans des faisceaux composés d'une seule structure de nanotubes de carbone aboutit à des chaînes d'atomes de carbone en interaction étroite. Ces chaînes favorisent la formation d'excitons intertubes. Une analyse plus poussée a montré que les excitons intertubes par eux-mêmes ne peuvent pas interagir avec la lumière d'une manière qui génère la caractéristique nette. Au lieu, une interaction entre les excitons intertubes et les excitons intratubes conduit à un processus de diffusion des excitons qui s'accompagne d'une interférence quantique. Une telle interférence se traduit par une caractéristique asymétrique pointue connue sous le nom de résonance de Fano qui a été identifiée dans la mesure Raman.

Les découvertes de l'équipe généralisent maintenant ce comportement à une nouvelle classe de réponse d'excitons dans les assemblages de nanotubes de carbone, suggérant que de tels comportements peuvent être trouvés dans une classe plus large de matériaux composites quantiques bidimensionnels.