Команда ученых под руководством Дзюна Нисиды (доцент) и Такаси Кумагаи (профессор-ассоциат) из Института молекулярных наук (IMS) и SOKENDAI вместе с коллегами из Токийского университета и RIKEN впервые визуализировала сверхбыструю динамику экситонов в углеродных нанотрубках. Эти квазичастицы, возникающие при облучении светом, живут фемтосекунды и исчезают, прежде чем их успевают изучить. Но новый метод — инфракрасный микроскоп ближнего поля с фемтосекундным разрешением — позволил разглядеть их в пространстве и времени.

Экситон — это связанное состояние электрона и «дырки» (пустого места, оставшегося после электрона), которое возникает в полупроводниках под действием света. Они ведут себя как частицы, перенося энергию без переноса заряда, и играют ключевую роль в работе светодиодов, солнечных батарей и лазеров.

Результаты опубликованы в издании Science Advances.

Углеродные нанотрубки (УНТ) — это микроскопические «провода» с уникальными оптическими и электрическими свойствами. Когда в них попадает свет, образуются экситоны — связанные пары электронов и дырок, которые определяют, как материал поглощает и излучает свет. Проблема в том, что экситоны существуют считанные пикосекунды и локализованы в нанометровых областях. Ученые обошли это ограничение: сначала возбудили экситоны лазерными импульсами, а затем „подсветили“ их инфракрасными ближнепольными импульсами. Так удалось увидеть, как экситоны движутся и взаимодействуют внутри отдельных нанотрубок.

Оказалось, что даже небольшие деформации структуры или соседство других нанотрубок (особенно в жгутах) сильно влияют на поведение экситонов. Чтобы объяснить данные, исследователи разработали теоретическую модель, учитывающую диэлектрический отклик при внутриэкситонных переходах. Расчеты на основе точечной дипольной модели хорошо совпали с экспериментом.

Дзюн Нисида: 

Теперь мы можем напрямую наблюдать квантовые частицы в одномерных системах — это прорыв в измерительных технологиях.

Такаси Кумагаи: 

Результаты помогут создавать нанофотонные устройства и квантовые технологии на основе УНТ.

Польза исследования

• Быстрая оптоэлектроника: если научиться управлять экситонами, можно создавать сверхчувствительные датчики или оптические транзисторы для компьютеров нового поколения.
• Квантовые технологии: экситоны в УНТ — кандидаты для кубитов, а их контроль критичен для квантовых коммуникаций.
• Солнечные элементы: понимание динамики экситонов улучшит КПД фотоэлементов на основе нанотрубок.

Метод требует сложного оборудования (ближнепольный микроскоп + фемтосекундные лазеры), что ограничивает его применение. Кроме того, эксперименты проводились на индивидуальных нанотрубках, тогда как в реальных устройствах они чаще используются в виде сеток или пленок, где поведение экситонов может кардинально отличаться.

Ранее ученые обнаружили экситоны на поверхности магнитного полупроводника.