据莱斯大学和东京都市大学的科学家称，在碳纳米管薄膜中观察到的一种新的量子效应可能会导致开发独特的激光器和其他光电设备。
Rice-Tokyo团队报告了通过使用单壁碳纳米管作为等离子体量子限制场在量子规模上操纵光的能力的进展。
物理学家河野纯一郎的水稻实验室中发现的这一现象可能是光电器件发展的关键。例如，纳米近红外激光器发射的连续光束波长太短，现有技术无法产生。
《自然通讯》详细描述了这项新研究。
由于科诺集团发现了一种在晶圆级薄膜中实现碳纳米管非常紧密排列的方法，该项目应运而生。这些薄膜允许在单个或纠缠的纳米管聚集体上进行太难的实验，并引起了东京物理学家Kazuhiro Yanagi的注意，他在纳米材料中研究凝聚态物理。
“他带来了门控技术(控制纳米管薄膜中的电子密度)，我们提供了对准技术，”科诺说。“我们第一次能够制作大面积排列的纳米管薄膜，它的栅极允许我们注入和取出大量的自由电子。”
“门控技术非常有趣，但在我使用的薄膜中，纳米管是随机定向的，”Yanagi说。“这种情况非常令人沮丧，因为我无法准确理解这种薄膜中纳米管的一维特性，这是最重要的。只能由科诺集团提供的电影是惊人的，因为它们使我们能够解决这个问题。”
他们的组合技术允许他们将电子泵入略宽于纳米的纳米管，然后用偏振光激发它们。纳米管的宽度将电子捕获在量子阱中，在量子阱中，原子和亚原子粒子的能量被“限制”在特定的状态或子带。
然后光线使它们在墙壁之间快速摆动。河野说，有了足够多的电子，它们开始充当等离子体。
“等离子体激元是受限结构中的集体电荷振荡，”他说。“如果你有一个盘子、一个薄膜、一条带子、一个粒子或一个球体，你会扰乱这个系统(通常用一束光束)，这些自由载流子会以一个特征频率一起运动。”效果取决于电子和物体的大小和形状。
Kono说，由于Rice实验中的纳米管非常薄，量子化子带之间的能量相当于等离子体的能量。“这是等离子体的量子态，其中的子带间跃迁称为子带间等离子体。人们已经在远红外波长范围的人造半导体量子阱中对此进行了研究，但这是第一次在天然存在的低维材料和短波长中观察到。
检测等离子体响应时栅极电压的非常复杂的依赖性是令人惊讶的，因为它出现在金属和半导体单壁纳米管中。“通过研究光-纳米管相互作用的基本理论，我们可以推导出共振能量的公式，”河野说。“令我们惊讶的是，这个公式非常简单。只有纳米管的直径是重要的。”
研究人员认为，这种现象可能会导致先进的通信，光谱和成像设备，以及高度可调的近红外量子级联激光器。
虽然传统的半导体激光器依赖于激光材料的带隙宽度，但量子级联激光器不依赖。这项研究的合著者、河野集团博士后研究员鲁伟高(音)说，这项研究使用定向纳米管进行设备开发。“波长与间隙无关，”他说。“我们的激光器就属于这一类。只要我们改变纳米管的直径，我们应该可以调节等离子体共振能量，而不用担心带隙。”
Kono还预计，门控和定向纳米管薄膜将为物理学家提供研究Luttinger液体的机会，Luttinger液体是一维导体中相互作用电子的理论集合。
“预测一维金属与二维和三维截然不同，”河野说。“碳纳米管是观察Luttinger液体行为的最佳候选材料之一。研究单管很难，但是我们有一个宏观的一维系统。通过掺杂或门控，我们可以调整费米能量。我们甚至可以将一维半导体转换成一维金属。所以这是研究这类物理的理想系统。”
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