Une plaquette de nanotubes de carbone hautement alignés, vu en gris sur un morceau de verre, a facilité un nouvel effet quantique dans des expériences à l'Université Rice. Crédit :Jeff Fitlow
Un nouvel effet quantique observé dans un film de nanotubes de carbone pourrait conduire au développement de lasers uniques et d'autres dispositifs optoélectroniques, selon des scientifiques de l'Université Rice et de l'Université métropolitaine de Tokyo.
L'équipe Rice-Tokyo a signalé une avancée dans la capacité de manipuler la lumière à l'échelle quantique en utilisant des nanotubes de carbone à paroi unique comme champs de confinement quantique plasmonique.
Le phénomène découvert dans le laboratoire Rice du physicien Junichiro Kono pourrait être la clé du développement de dispositifs optoélectroniques à l'échelle nanométrique, lasers proche infrarouge qui émettent des faisceaux continus à des longueurs d'onde trop courtes pour être produites par la technologie actuelle.
La nouvelle recherche est détaillée dans Communication Nature .
Le projet a vu le jour à la suite de la découverte par le groupe Kono d'un moyen d'obtenir un alignement très serré des nanotubes de carbone dans des films de la taille d'une plaquette. Ces films ont permis des expériences beaucoup trop difficiles à réaliser sur des agrégats de nanotubes simples ou enchevêtrés et ont attiré l'attention du physicien métropolitain de Tokyo Kazuhiro Yanagi, qui étudie la physique de la matière condensée dans les nanomatériaux.
"Il a apporté la technique du gating (qui contrôle la densité des électrons dans le film de nanotubes), et nous avons fourni la technique d'alignement, " a déclaré Kono. "Pour la première fois, nous avons pu fabriquer un film de grande surface de nanotubes alignés avec une grille qui nous permet d'injecter et d'extraire une grande densité d'électrons libres."
De gauche, Le physicien de l'Université Rice Junichiro Kono, chercheur postdoctoral Weilu Gao et étudiante diplômée Fumiya Katsutani, dont les travaux sur un projet de collaboration avec l'Université métropolitaine de Tokyo ont conduit à la découverte d'un nouvel effet quantique dans les films de nanotubes de carbone inventé par le laboratoire Rice. Crédit :Jeff Fitlow
"La technique du gating est très intéressante, mais les nanotubes étaient orientés aléatoirement dans les films que j'avais utilisés, " a déclaré Yanagi. " Cette situation était très frustrante parce que je ne pouvais pas obtenir une connaissance précise des caractéristiques unidimensionnelles des nanotubes dans de tels films, ce qui est le plus important. Les films qui ne peuvent être fournis que par le groupe Kono sont étonnants car ils nous ont permis d'aborder ce sujet."
Leurs technologies combinées leur permettent de pomper des électrons dans des nanotubes d'un peu plus d'un nanomètre de large, puis de les exciter avec une lumière polarisée. La largeur des nanotubes a piégé les électrons dans des puits quantiques, dans lequel l'énergie des atomes et des particules subatomiques est "confinée" à certains états, ou sous-bandes.
La lumière les a alors incités à osciller très rapidement entre les murs. Avec suffisamment d'électrons, Kono a dit, ils ont commencé à agir comme des plasmons.
"Les plasmons sont des oscillations de charge collective dans une structure confinée, " dit-il. " Si vous avez une assiette, un film, un ruban, une particule ou une sphère et vous perturbez le système (généralement avec un faisceau lumineux), ces porteurs libres se déplacent collectivement avec une fréquence caractéristique. » L'effet est déterminé par le nombre d'électrons et la taille et la forme de l'objet.
Parce que les nanotubes des expériences Rice étaient si minces, l'énergie entre les sous-bandes quantifiées était comparable à l'énergie du plasmon, dit Kono. "C'est le régime quantique des plasmons, où la transition intersous-bande est appelée le plasmon intersous-bande. Les gens ont étudié cela dans des puits quantiques de semi-conducteurs artificiels dans la gamme de longueurs d'onde de l'infrarouge très lointain, mais c'est la première fois qu'on l'observe dans un matériau naturel de faible dimension et à une longueur d'onde aussi courte."
La détection d'une dépendance très compliquée de la tension de grille dans la réponse plasmonique était une surprise, tout comme son apparition dans les nanotubes monoparois métalliques et semi-conducteurs. "En examinant la théorie de base des interactions lumière-nanotube, nous avons pu dériver une formule pour l'énergie de résonance, " dit Kono. " A notre grande surprise, la formule était très simple. Seul le diamètre du nanotube compte."
Une image au microscope électronique à balayage montre des nanotubes de carbone très alignés et étroitement emballés rassemblés dans un film par des chercheurs de Rice. Crédit :Laboratoire Kono
Les chercheurs pensent que le phénomène pourrait conduire à des dispositifs de communication avancés, spectroscopie et imagerie, ainsi que des lasers à cascade quantique dans le proche infrarouge hautement accordables.
Alors que les lasers à semi-conducteurs traditionnels dépendent de la largeur de la bande interdite du matériau laser, les lasers à cascade quantique ne le font pas, dit Weilu Gao, un co-auteur de l'étude et un chercheur postdoctoral dans le groupe de Kono qui dirige le développement de dispositifs utilisant des nanotubes alignés. "La longueur d'onde est indépendante du gap, " dit-il. " Notre laser serait dans cette catégorie. Juste en changeant le diamètre du nanotube, nous devrions pouvoir régler l'énergie de résonance du plasma sans nous soucier de la bande interdite."
Kono s'attend également à ce que les films de nanotubes bloqués et alignés donnent aux physiciens l'opportunité d'étudier les liquides de Luttinger, collections théoriques d'électrons en interaction dans des conducteurs unidimensionnels.
« Les métaux unidimensionnels devraient être très différents des métaux 2D et 3D, " a déclaré Kono. " Les nanotubes de carbone sont parmi les meilleurs candidats pour observer les comportements des liquides de Luttinger. Il est difficile d'étudier un seul tube, mais nous avons un système macroscopique à une dimension. Par dopage ou gate, nous pouvons régler l'énergie de Fermi. Nous pouvons même convertir un semi-conducteur 1-D en un métal 1-D. C'est donc un système idéal pour étudier ce genre de physique."
Yanagi, professeur de physique de la matière condensée à l'Université métropolitaine de Tokyo, est l'auteur principal de l'article. Les co-auteurs sont l'étudiant diplômé Ryotaro Okada, étudiant diplômé Yota Ichinose et Yohei Yomogida, professeur assistant de physique de la matière condensée, le tout au Tokyo Metropolitan, et étudiante diplômée Fumiya Katsutani à Rice. Kono est professeur de génie électrique et informatique, de physique et d'astronomie, et de la science des matériaux et de la nano-ingénierie.
