美国研究人员在定向碳纳米管中观察门控量子等离子体为碳基近红外光电子器件的发展开辟了新的道路，并使研究人员能够研究一维电子相互作用的动态响应。

美国莱斯大学的研究人员在晶圆尺寸的薄膜中实现了碳纳米管的紧密排列。这些薄膜引起了日本东京都立大学（TMU）研究团队的注意，该团队开发了一种控制纳米管薄膜中电子密度的门控技术。日本东京都立大学教授Kazuhiro Yanagi表示：“门控技术非常有趣，但纳米管在我选用过的薄膜中都是随机取向的。最重要的是我无法准确了解这类薄膜中纳米管的一维特征。”

透过玻璃可观察到一片高度对齐的碳纳米管晶圆，帮助美国莱斯大学实现了实验中的新量子效应。图片来源：Jeff Fitlow /美国莱斯大学。

结合这些技术，研究人员将电子抽入纳米管中，纳米管宽度略超过1nm。纳米管的极窄宽度能够捕获量子阱中的电子，将电子限制在子带中。当电子被激发时，它们开始振荡并起到等离子体激元的作用。莱斯大学教授Junichiro Kono表示：“等离子体是密集结构中的集体电荷振荡。如果有一个粒子，并且扰乱了这个系统（通常是一个光束），这些自由运动的电荷就会以一个特征频率进行集体移动。”

等离子体效应由电子的数量、的大小和形状决定。Kono表示：“因为纳米管非常薄，量子化子带之间的能量与等离子体激元能量相当。这是等离子体激元的量子体系，其中子带间跃迁称为子带间等离子体激元。研究人员已经在远红外波长范围的人造半导体量子阱中进行了大量研究，但这是第一次在自然发生的低维度材料和短波长范围内观测到这一现象。”

莱斯大学研究人员Junichiro Kono（左）和Fumiya Katsutani（右）正在准备用于测试的纳米管薄膜。实验室在其碳纳米管薄膜中观察到一种新的量子效应，可能有助于近红外激光器和其他光电子器件的发展。图片来源：Jeff Fitlow /莱斯大学。

研究小组惊讶地发现了等离子体激元响应中复杂的门电压依赖性，并在金属和半导体单壁纳米管中检测到这一现象。Kono表示：“通过研究光纳米管相互作用的基本理论，我们能够推导出共振能量的公式，令我们吃惊的是，这一公式非常简单，因为只有纳米管的直径起重要作用。”

研究人员认为，这种现象可能会有助于今后先进的通信、光谱和成像设备的发展，以及高度可调谐近红外量子级联激光器的进步。与传统的半导体激光器恰恰相反，量子级联激光器不依赖于激光材料带隙的宽度。研究人员Weilu Gao认为：“我们的激光通过改变纳米管的直径调整等离子体共振能量，而不用担心带隙。”Kono认为，门控和排列的纳米管薄膜也能帮助物理学家有机会研究卢京格尔液体——一维导体中相互作用电子的理论集合。

“预测一维金属与二维或者三维的现象是非常不同的。碳纳米管是观察卢京格尔液体行为的最佳候选材料，因为研究单管很困难，但我们有一个宏观的一维系统。通过掺杂或门控，我们能够调整费米能量。我们甚至可以将一维半导体转换为金属，所以这是研究这种物理现象的理想系统。”

该项研究发表于《自然通讯》。

来源： https://www.photonics.com/Article.aspx?AID=63235

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