Используя одностенные углеродные нанотрубки (SWCNT) как замкнутую структуру для генерирования плазмонов, сотрудники лаборатории Дзюничиро Коно (Junichiro Kono) в Университете Райса (штат Техас) смогли экспериментально наблюдать эффект, позволяющий манипулировать светом на квантовом уровне.

Открытие, о котором они сообщили в журнале Nature Communications, может иметь ключевое значение для разработки сверхминиатюрной оптоэлектроники, в том числе ранее неосуществимых каскадных нанолазеров непрерывного излучения, работающих в близком ИК-диапазоне.

Возможным новое достижение сделало предшествующее открытие группы Коно: они нашли способ получения плотных массивов одинаково ориентированных нанотрубки в виде плёнок большой площади. Такие плёнки, нанесённые на стеклянную основу, сделали возможными эксперименты, которые очень сложно было бы проводить на одиночных или хаотично ориентированных нанотрубках.

«Впервые мы смогли изготовить крупномасштабную плёнку выровненных нанотрубок с порогом, который позволяет нам создавать большую плотность свободных электронов», — заявил Коно.

При возбуждении поляризованным светом в образованном нанотрубкой квантовом колодце конечной ширины возникали коллективные колебания свободных электронов с определённой (характеристической) частотой — плазмоны.

Поскольку толщина SWCNT очень мала, расстояния между дискретными энергетическими подуровнями квантового колодца получались соизмеримыми с энергией плазмонов. Благодаря этому ученым впервые удалось наблюдать режим плазменного перехода между подуровнями в естественном материале с малой размерностью и в столь коротковолновом диапазоне.

Интересно, что плазмонный отклик регистрировался как для металлических, так и для полупроводящих нанотрубок. «Изучая базовую теорию взаимодействий света с нанотрубкой, мы смогли вывести формулу для резонансной энергии. Эта формула неожиданно оказалась очень простой. Имеет значение только диаметр нанотрубки», — рассказал Коно.

Участники исследования полагают, что их результаты окажутся полезны при создании более совершенного оборудования для коммуникаций, спектроскопии и визуализации. Кроме того, плёнки упорядоченных нанотрубок с затвором будут идеальной средой для изучения ансамблей взаимодействующих электронов в одномерных проводниках — так называемых жидкостей Люттингера.