Excitonen vangen in beweging-de volledige dynamiek in koolstofnanobuisjes onthuld door nano-infraroodspectroscopie

Een onderzoeksteam heeft met succes de ultrasnelle dynamiek gevisualiseerd van quasi-deeltjes die bekend staan ​​als excitons, die worden gegenereerd in koolstofnanobuisjes (CNT’s) bij lichte excitatie.

Dit werd bereikt met ruimtelijke en tijdelijke resolutie buiten de mogelijkheden van conventionele technieken, dankzij een geavanceerd instrument dat een ultrasnelle infrarood in de buurt van het veld optische microscoop wordt genoemd. Deze geavanceerde techniek concentreert femtoseconde infraroodpulsen in nanoschaalgebieden, waardoor de gevoelige detectie van lokale lichtstattere interacties in reële ruimte en tijd mogelijk is.

Het werk is gepubliceerd in het dagboek De wetenschap vordert.

CNT’s zijn nanometerschaal halfgeleider draden met uitzonderlijke elektrische en optische eigenschappen, waardoor ze veelbelovende kandidaten zijn voor toekomstige nano-elektronische en nanofotone toepassingen.

Bij blootstelling aan licht genereren CNT’s excitonen – gebonden paren van elektronen en gaten – die belangrijke processen regelen, zoals lichtabsorptie, emissie en ladingtransport. Aangezien excitonen echter beperkt zijn tot slechts enkele nanometer en alleen voor femtoseconden voor picoseconden bestaan, is het rechtstreeks gebleven van hun gedrag een belangrijke experimentele uitdaging gebleven.

In this study, the team, led by Dr. Jun Nishida (Assistant Professor), and Dr. Takashi Kumagai (Associate Professor) at the Institute for Molecular Science (IMS)/SOKENDAI, in collaboration with Dr. Taketoshi Minato (Senior Researcher at IMS), Dr. Keigo Otsuka (Assistant Professor at The University of Tokyo) and Dr. Yuichiro K. Kato (Chief Researcher at RIKEN) Overwinst die uitdaging door eerst excitonen in CNT’s te genereren met behulp van zichtbare lichtpulsen en vervolgens hun dynamiek te onderzoeken met ultrasnelle infrarood bijna-veldpulsen.

Deze benadering maakte directe observatie mogelijk van hoe excitonen evolueren in zowel ruimte als tijd binnen individuele CNT’s. De metingen onthulden dat subtiele structurele vervormingen en interacties met aangrenzende CNT’s – met name in complexe gebundelde configuraties – de exciton -relaxatiedynamiek grotendeels beïnvloeden.

Deze bevindingen bieden nieuwe inzichten in de rol van de lokale nanoschaalomgeving bij het vormgeven van excitongedrag.

Om de experimentele gegevens te interpreteren, ontwikkelden de onderzoekers ook een theoretisch model dat de interactie tussen excitonen en de infrarood nabij het veld beschrijft, rekening houdend met diëlektrische reacties van intra-excitonische overgangen. Simulaties op basis van een punt-dipoolmodel hebben de experimentele resultaten met succes gereproduceerd en een sterke theoretische basis voor toekomstige studies met behulp van deze techniek.

Dr. Nishida zegt: “De mogelijkheid om rechtstreeks kwantumdeeltjes zoals excitonen in eendimensionale systemen zoals CNT’s te observeren, markeert een belangrijke vooruitgang in meettechnologie.”

Prof. Kumagai zegt: “Deze prestatie maakt de weg vrij voor het ontwerpen van de volgende generatie high-speed nano-opto-elektronische apparaten en kwantumfotonische technologieën op basis van CNT’s.”