ساخت آنتن دو بعدی انتشار نور با نانو لوله‌های کربنی
محققان نانولوله‌های کربنی را به گونه‌ای مهندسی کردند که می‌تواند با تابش لیزر درخشش قابل توجهی داشته باشد. این پدیده برای توسعه تجهیزات کوانتومی و ساخت آنتن های دو بعدی انتشار نور قابل استفاده است.
پایگاه اطلاع‌رسانی ایران رصد، به نقل از سایت phys.org، یک صفحه تخت از اتم‌ها می‌تواند به عنوان نوعی آنتن دو بعدی عمل کند که نور را جذب و انرژی آن را به نانولوله‌های کربنی هدایت کند و باعث شود آنها بدرخشند. این پیشرفت می‌تواند به توسعه دستگاه‌های کوچک منتشر کننده نور در آینده که از اثرات کوانتومی بهره‌برداری می‌کنند، کمک کند.
نحوه عملکرد
نانولوله‌های کربنی شبیه سیم‌های بسیار نازک و توخالی با قطری حدود یک نانومتر هستند. آنها می توانند به طرق مختلف نور تولید کنند. برای مثال، یک پالس لیزر می‌تواند الکترون‌های با بار منفی درون ماده را تحریک کند و «سوراخ‌هایی» با بار مثبت باقی بگذارد. این بارهای متضاد می توانند با هم جفت شوند و حالتی پرانرژی به نام اکسایتون را تشکیل دهند که ممکن است قبل از اینکه انرژی خود را به عنوان نور آزاد کند، در طول یک نانولوله نسبتاً دور حرکت کند.
در اصل، این پدیده می تواند برای ساخت دستگاه های ساطع کننده نور در مقیاس نانو بسیار کارآمد مورد بهره برداری قرار گیرد.
محدودیت‌ها
متأسفانه، سه مانع برای استفاده از لیزر برای تولید اکسیتون‌ها در نانولوله‌های کربنی وجود دارد. اولاً، یک پرتو لیزر معمولاً ۱۰۰۰ برابر گسترده‌تر از یک نانولوله است، بنابراین مقدار بسیار کمی از انرژی آن در واقع توسط مواد جذب می‌شود. دوم، امواج نور باید کاملاً با نانولوله هماهنگ شوند تا انرژی خود را به طور مؤثر ارائه کنند. در نهایت، الکترون‌های یک نانولوله کربنی تنها می توانند طول موج‌های بسیار خاصی از نور را جذب کنند.
برای غلبه بر این محدودیت‌ها، تیمی به رهبری Yuichiro Kato از آزمایشگاه فوتونیک کوانتومی نانومقیاس RIKEN به کلاس دیگری از نانومواد، معروف به مواد دو بعدی، روی آوردند. این صفحات تخت فقط چند اتم ضخامت دارند، اما می‌توانند بسیار گسترده‌تر از پرتو لیزر باشند و در تبدیل پالس‌های لیزر به اکسیتون بسیار بهتر هستند.
فرایند اجرا
محققان نانولوله های کربنی را بر روی یک ترانشه که از یک ماده عایق تراشیده شده بود رشد دادند. آنها سپس یک پوسته نازک اتمی از تنگستن دیزلنید را در بالای نانولوله ها قرار دادند. هنگامی که پالس‌های لیزر به این پوسته برخورد می‌کنند، اکسیتون‌هایی تولید می‌کنند که به درون نانولوله و در طول آن حرکت می‌کنند، قبل از اینکه نوری با طول موج بلندتر از لیزر آزاد کنند. تنها یک تریلیونم ثانیه طول کشید تا هر اکسایتون از ماده دو بعدی به نانولوله عبور کند.
با آزمایش نانولوله‌هایی با طیف وسیعی از ساختارهای مختلف که بر سطوح انرژی حیاتی در مواد تأثیر می‌گذارند، محققان اشکال نانولوله‌ای ایده‌آل را شناسایی کردند که انتقال اکسیتون‌ها از مواد دو بعدی را تسهیل می‌کنند.
بر اساس این نتیجه، آنها قصد دارند از مهندسی باند (یک مفهوم مفید در مهندسی نیمه هادی برای تحقق بخشیدن به دستگاه هایی با خواص برتر) در مقیاس ریز اتمی استفاده کنند.
کاتو می گوید:
زمانی که مهندسی باند در نیمه هادی‌های کم بعدی اعمال می شود، انتظار می رود ویژگی های فیزیکی جدید و قابلیت‌های نوآورانه ظاهر شوند.
کاتو می‌افزاید:
امیدواریم از این مفهوم برای توسعه دستگاه‌های فوتونیک و اپتوالکترونیکی که فقط چند لایه اتمی ضخامت دارند، استفاده کنیم. اگر بتوانیم آنها را تا حد نازک اتمی کوچک کنیم، انتظار داریم اثرات کوانتومی جدیدی پدیدار شوند که ممکن است برای فناوری‌های کوانتومی آینده مفید باشند.
این مقاله در مجله Nature Communications منتشر شده است.