Группа исследователей успешно визуализировала ультрабыструю динамику квазичастиц, известных как экситоны, которые генерируются в углеродных нанотрубках (УНТ) при возбуждении светом.
Это стало возможным благодаря пространственному и временному разрешению, превышающему возможности традиционных методов, с помощью передового инструмента, называемого сверхбыстрым инфракрасным оптическим микроскопом ближнего поля. Этот передовой метод фокусирует фемтосекундные инфракрасные импульсы в наноразмерные области, позволяя чувствительно детектировать локальные взаимодействия света и вещества в реальном пространстве и времени.
Работа опубликована в журнале Science Advances.
УНТ — это наноразмерные полупроводниковые провода с исключительными электрическими и оптическими свойствами, что делает их перспективными кандидатами для будущих наноэлектронных и нанофотонных приложений.
При воздействии света УНТ генерируют экситоны — связанные пары электронов и дырок, которые управляют ключевыми процессами, такими как поглощение света, излучение и перенос заряда. Однако, поскольку экситоны ограничены всего несколькими нанометрами и существуют от фемтосекунд до пикосекунд, непосредственное фиксирование их поведения оставалось сложной экспериментальной задачей.
В этом исследовании команда под руководством доктора Джуна Нишиды (доцент) и доктора Такаси Кумагаи (ассоциированный профессор) в Институте молекулярных наук (IMS)/SOKENDAI в сотрудничестве с доктором Такэтоси Минато (старший научный сотрудник в IMS), доктором Кейго Оцука (доцент в Токийском университете) и доктором Юичиро К. Като (главный исследователь в RIKEN) преодолела эту задачу, сначала сгенерировав экситоны в УНТ с помощью импульсов видимого света, а затем исследовав их динамику с помощью сверхбыстрых инфракрасных импульсов ближнего поля.
Этот подход позволил напрямую наблюдать, как экситоны эволюционируют как в пространстве, так и во времени внутри отдельных УНТ. Измерения показали, что тонкие структурные искажения и взаимодействия с соседними УНТ, особенно в сложных конфигурациях пучков, могут существенно влиять на динамику релаксации экситонов.
Эти результаты предлагают новое понимание роли локальной наноразмерной среды в формировании поведения экситонов.
Для интерпретации экспериментальных данных исследователи также разработали теоретическую модель, описывающую взаимодействие между экситонами и инфракрасным полем ближнего поля, принимая во внимание диэлектрические отклики от внутриэкситонных переходов. Симуляции, основанные на модели точечного диполя, успешно воспроизвели экспериментальные результаты, обеспечив прочную теоретическую основу для будущих исследований с использованием этой методики.
Доктор Нишида говорит: «Возможность напрямую наблюдать квантовые частицы, такие как экситоны, в одномерных системах, подобных УНТ, знаменует собой крупный прорыв в измерительной технологии».
Профессор Кумагаи говорит: «Это достижение прокладывает путь для разработки следующего поколения высокоскоростных нанооптоэлектронных устройств и квантовых фотонных технологий на основе УНТ».
Предоставлено Национальными институтами естественных наук.