圖為在萊斯大學(xué)的實(shí)驗(yàn)中，一片玻璃上呈灰色的規(guī)則排列碳納米管晶圓（透過玻璃看到的貓頭鷹標(biāo)志為萊斯大學(xué)?；眨?，促成了新型量子效應(yīng)（圖片來源：Jeff Fitlow）
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，美國萊斯大學(xué)（Rice University）和日本東京都立大學(xué)（Tokyo Metropolitan University）的科學(xué)家在碳納米管薄膜中觀測(cè)到一種新型量子效應(yīng)，該量子效應(yīng)可能有助于獨(dú)特激光器和其它光電器件的研發(fā)。
“Rice－Tokyo”研究團(tuán)隊(duì)報(bào)告稱，通過利用單壁碳納米管作為等離子體量子限域場(chǎng)（plasmonic quantum confinement fields），在量子尺度下操控光的能力取得重要進(jìn)展。
該現(xiàn)象是在物理學(xué)家Junichiro Kono 的美國萊斯大學(xué)實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)的，這可能成為開發(fā)納米級(jí)近紅外激光器等光電器件的關(guān)鍵技術(shù)，納米級(jí)近紅外激光器發(fā)射連續(xù)光束的波長太短，以目前的技術(shù)水平還無法實(shí)現(xiàn)。
《Nature Communications》刊登了這項(xiàng)新研究的詳細(xì)介紹。
Kono團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了這種“可在晶圓尺寸薄膜中實(shí)現(xiàn)碳納米管非常緊密的規(guī)則排列”的方法，這種薄膜–能夠?qū)崿F(xiàn)那些在單根或纏結(jié)的納米管聚合體難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)，這吸引了東京都立大學(xué)物理學(xué)家Kazuhiro Yanagi的關(guān)注，Yanagi專攻方向是納米材料中的凝聚物理學(xué)。于是雙方開始了聯(lián)合研究。
Kono關(guān)于此次合作項(xiàng)目介紹說：“這次研究中，Yanagi提供了‘門控技術(shù)（gating technique）’（該技術(shù)可控制納米管薄膜中電子的密度），我們提供了碳納米管對(duì)準(zhǔn)技術(shù)。這是我們首次制造出帶‘門控柵極（gate）’的如此大面積規(guī)則排列的碳納米管薄膜，使我們實(shí)現(xiàn)了注入并取出大量的自由電子。”
Yanagi補(bǔ)充說道：“門控技術(shù)雖然非常有用，但是我之前使用的薄膜中的碳納米管是隨機(jī)排列的。這種情況是非常令人沮喪的，因?yàn)槲覠o法準(zhǔn)確地知曉這類薄膜中納米管的一維特性，而這其實(shí)非常重要。由Kono團(tuán)隊(duì)提供的薄膜是非常令人驚嘆的，因?yàn)檫@些薄膜終于可以幫我解決這個(gè)難題。”
這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)將技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了“將電子注入只有1納米寬的納米管中，然后用偏振光激發(fā)它們”的難題。碳納米管的寬度捕獲了量子阱中的電子，其中原子和亞原子粒子的能量被“限制”在某狀態(tài)或次能帶。然后偏振光使它們?cè)诠鼙陂g迅速振蕩。Kono認(rèn)為：“只要有足夠的電子，它們就可以充當(dāng)?shù)入x子體。”
Kono說：“等離子體是一種在限制結(jié)構(gòu)中的集體電荷振蕩。對(duì)于一塊平板、一片薄膜、一條絲帶、一個(gè)粒子或球體，如果你擾亂這些系統(tǒng)（通常使用光束），這些自由載體會(huì)以某個(gè)特征頻率集體運(yùn)動(dòng)。”而這種效應(yīng)是由電子的數(shù)量和物體的大小和形狀共同決定的。
在美國萊斯大學(xué)的實(shí)驗(yàn)中，由于納米管非常薄，以至于量子次能帶間的能量幾乎與等離子體的能量相當(dāng)。Kono認(rèn)為：“這就是等離子體激元的量子機(jī)制，其中子帶間過渡被稱為帶間等離子體激元（intersubband plasmon，ISP）。研究者已在超遠(yuǎn)紅外波長范圍內(nèi)的人造半導(dǎo)體量子阱中研究過該現(xiàn)象，但此次研究是首次在低維材料自然發(fā)生的狀態(tài)下、且波長如此短的情況下觀察到該現(xiàn)象。”
在等離子體激元響應(yīng)中檢測(cè)到這種非常復(fù)雜的“柵極電壓（gate voltage）依賴”是一個(gè)驚喜，與其在金屬和半導(dǎo)體單壁納米管中的現(xiàn)象一樣。Kono認(rèn)為：“通過研究光納米管相互作用的基本理論，我們能夠推導(dǎo)出共振能量的公式。令我們吃驚的是，這個(gè)公式非常簡單。只有納米管的直徑是其中的決定性變量。”
研究人員認(rèn)為，該現(xiàn)象可能會(huì)促進(jìn)通信學(xué)、光譜學(xué)和成像學(xué)、以及高度可調(diào)的近紅外量子級(jí)聯(lián)激光器等技術(shù)的進(jìn)步。
Kono團(tuán)隊(duì)是利用規(guī)則排列納米管進(jìn)行器件研發(fā)的先鋒團(tuán)隊(duì)。該研究的合著者、Kono團(tuán)隊(duì)的博士后研究員Weilu Gao認(rèn)為，傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器依賴于激光材料的帶隙寬度，但量子級(jí)聯(lián)激光器卻不是這樣。Weilu Gao說：“量子級(jí)聯(lián)激光器的波長是獨(dú)立于帶隙的。我們的激光就屬于此類。我們僅通過改變納米管的直徑，就可以調(diào)諧等離子體激元共振能量，完全不用考慮帶隙的問題。”
Kono還預(yù)測(cè)，這種柵極的、規(guī)則排列的納米管薄膜將使物理學(xué)家有機(jī)會(huì)研究Luttinger液體，一維導(dǎo)體中相互作用的電子理論。
Kono認(rèn)為：“一維金屬預(yù)測(cè)與二維和三維金屬有很大的不同，碳納米管是觀察Luttinger液體行為的最佳候選方法之一。單納米管研究是相當(dāng)困難的，但我們建立了一個(gè)宏觀的一維系統(tǒng)。通過摻雜或門控，就可以調(diào)整費(fèi)米能量。我們甚至可以把一維半導(dǎo)體轉(zhuǎn)化成一維金屬。因此，這是研究此類物理現(xiàn)象的理想系統(tǒng)。”
東京都立大學(xué)凝聚物理學(xué)教授Yanagi是該論文的第一作者。論文的合著者還包括：東京都立大學(xué)的研究生Ryotaro Okada和Yota Ichinose、該專業(yè)助理教授Yohei Yomogida、以及萊斯大學(xué)的研究生Fumiya Katsutani。Kono是電子和計(jì)算機(jī)工程／物理和天文學(xué)／材料科學(xué)和納米工程的教授。
該研究由日本學(xué)術(shù)振興會(huì)科研補(bǔ)助金（KAKENHI）、日本科學(xué)技術(shù)發(fā)展推進(jìn)核心項(xiàng)目、山田科學(xué)基金會(huì)與美國能源部的基礎(chǔ)能源科學(xué)項(xiàng)目、美國國家科學(xué)基金會(huì)與羅伯特·韋爾奇基金會(huì)共同資助。
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