La antena mejora la emisión de luz en nanotubos de carbono

Una lámina plana de átomos puede actuar como una especie de antena que absorbe la luz y dirige su energía hacia los nanotubos de carbono, haciéndolos brillar intensamente.¹. Este avance podría ayudar en el desarrollo de pequeños dispositivos emisores de luz en el futuro que explotarán los efectos cuánticos.

Los nanotubos de carbono parecen alambres huecos y muy delgados con un diámetro de sólo un nanómetro aproximadamente. Pueden generar luz de diferentes formas. Por ejemplo, un pulso láser puede excitar electrones cargados negativamente dentro de un material, dejando «agujeros» cargados positivamente. Estas cargas opuestas pueden emparejarse para formar un estado de energía conocido como excitón, que puede viajar una distancia relativamente larga a lo largo del nanotubo antes de liberar su energía en forma de luz.

En principio, este fenómeno puede aprovecharse para fabricar nanodispositivos emisores de luz altamente eficientes.

Desafortunadamente, existen tres obstáculos para utilizar láseres para generar excitones dentro de nanotubos de carbono. En primer lugar, el rayo láser suele ser 1.000 veces más ancho que un nanotubo, por lo que el material absorbe muy poca energía. En segundo lugar, las ondas de luz deben alinearse exactamente con el nanotubo para entregar energía de manera efectiva. Finalmente, los electrones del nanotubo de carbono sólo pueden absorber longitudes de onda de luz muy específicas.

Para superar estas limitaciones, un equipo dirigido por Yuichiro Kato del Laboratorio de Fotónica Cuántica a Nanoescala de RIKEN recurrió a otra clase de nanomateriales, conocidos como materiales 2D. Estas láminas planas tienen sólo unos pocos átomos de espesor, pero pueden ser mucho más anchas que un rayo láser y son mucho mejores para convertir pulsos láser en excitones.

Los investigadores colocaron nanotubos de carbono sobre una zanja excavada en un material aislante. Luego colocaron una rodaja atómicamente delgada de diseleniuro de tungsteno encima de los nanotubos. Cuando los pulsos láser golpean este chip, generan excitones que viajan hacia arriba y a lo largo del nanotubo, antes de emitir luz con una longitud de onda más larga que el láser. Sólo tomó una billonésima de segundo para que cada excitón pasara del material 2D al nanotubo.

Al probar nanotubos con una variedad de estructuras diferentes que afectan niveles de energía cruciales dentro del material, los investigadores identificaron formas ideales de nanotubos que facilitan la transferencia de excitones desde el material 2D. Con base en este resultado, pretenden utilizar la geometría de escala, un concepto útil en ingeniería de semiconductores para crear dispositivos con propiedades superiores, en una escala atómicamente delgada. «Cuando la ingeniería de bandas se aplica a semiconductores de baja dimensión, se espera que surjan nuevas propiedades físicas y funcionalidades innovadoras», afirma Kato.

«Esperamos aprovechar este concepto para desarrollar dispositivos fotónicos y optoelectrónicos que tengan sólo unas pocas capas atómicas de espesor», añade Kato. «Si podemos reducirlos al límite atómico, esperamos que surjan nuevos efectos cuánticos, que pueden resultar útiles para futuras tecnologías cuánticas».