圖為在萊斯大學的實驗中，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志為萊斯大學校徽），促成了新型量子效應(yīng)（圖片來源：Jeff Fitlow）
據(jù)麥姆斯咨詢報道，美國萊斯大學（Rice University）和日本東京都立大學（Tokyo Metropolitan University）的科學家在碳納米管薄膜中觀測到一種新型量子效應(yīng)，該量子效應(yīng)可能有助于獨特激光器和其它光電器件的研發(fā)。
“Rice－Tokyo”研究團隊報告稱，通過利用單壁碳納米管作為等離子體量子限域場（plasmonic quantum confinement fields），在量子尺度下操控光的能力取得重要進展。
該現(xiàn)象是在物理學家Junichiro Kono 的美國萊斯大學實驗室中發(fā)現(xiàn)的，這可能成為開發(fā)納米級近紅外激光器等光電器件的關(guān)鍵技術(shù)，納米級近紅外激光器發(fā)射連續(xù)光束的波長太短，以目前的技術(shù)水平還無法實現(xiàn)。
《Nature Communications》刊登了這項新研究的詳細介紹。
Kono團隊發(fā)現(xiàn)了這種“可在晶圓尺寸薄膜中實現(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現(xiàn)的實驗，這吸引了東京都立大學物理學家Kazuhiro Yanagi的關(guān)注，Yanagi專攻方向是納米材料中的凝聚物理學。于是雙方開始了聯(lián)合研究。
Kono關(guān)于此次合作項目介紹說：“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準技術(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，使我們實現(xiàn)了注入并取出大量的自由電子。”
Yanagi補充說道：“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排列的。這種情況是非常令人沮喪的，因為我無法準確地知曉這類薄膜中納米管的一維特性，而這其實非常重要。由Kono團隊提供的薄膜是非常令人驚嘆的，因為這些薄膜終于可以幫我解決這個難題。”
這兩個團隊將技術(shù)結(jié)合，實現(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。然后偏振光使它們在管壁間迅速振蕩。Kono認為：“只要有足夠的電子，它們就可以充當?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。對于一塊平板、一片薄膜、一條絲帶、一個粒子或球體，如果你擾亂這些系統(tǒng)（通常使用光束），這些自由載體會以某個特征頻率集體運動。”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。
在美國萊斯大學的實驗中，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。Kono認為：“這就是等離子體激元的量子機制，其中子帶間過渡被稱為帶間等離子體激元（intersubband plasmon，ISP）。研究者已在超遠紅外波長范圍內(nèi)的人造半導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)中檢測到這種非常復雜的“柵極電壓（gate voltage）依賴”是一個驚喜，與其在金屬和半導體單壁納米管中的現(xiàn)象一樣。Kono認為：“通過研究光納米管相互作用的基本理論，我們能夠推導出共振能量的公式。令我們吃驚的是，這個公式非常簡單。只有納米管的直徑是其中的決定性變量。”
研究人員認為，該現(xiàn)象可能會促進通信學、光譜學和成像學、以及高度可調(diào)的近紅外量子級聯(lián)激光器等技術(shù)的進步。
Kono團隊是利用規(guī)則排列納米管進行器件研發(fā)的先鋒團隊。該研究的合著者、Kono團隊的博士后研究員Weilu Gao認為，傳統(tǒng)半導體激光器依賴于激光材料的帶隙寬度，但量子級聯(lián)激光器卻不是這樣。Weilu Gao說：“量子級聯(lián)激光器的波長是獨立于帶隙的。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，這種柵極的、規(guī)則排列的納米管薄膜將使物理學家有機會研究Luttinger液體，一維導體中相互作用的電子理論。
Kono認為：“一維金屬預(yù)測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困難的，但我們建立了一個宏觀的一維系統(tǒng)。通過摻雜或門控，就可以調(diào)整費米能量。我們甚至可以把一維半導體轉(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)。”
東京都立大學凝聚物理學教授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、以及萊斯大學的研究生Fumiya Katsutani。Kono是電子和計算機工程／物理和天文學／材料科學和納米工程的教授。
該研究由日本學術(shù)振興會科研補助金（KAKENHI）、日本科學技術(shù)發(fā)展推進核心項目、山田科學基金會與美國能源部的基礎(chǔ)能源科學項目、美國國家科學基金會與羅伯特·韋爾奇基金會共同資助。
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