圖為在萊斯大學的實驗中，一片玻璃上呈灰色的規則排列碳納米管晶圓（透過玻璃看到的貓頭鷹標志為萊斯大學校徽），促成了新型量子效應（圖片來源：Jeff Fitlow）
據麥姆斯咨詢報道，美國萊斯大學（Rice University）和日本東京都立大學（Tokyo Metropolitan University）的科學家在碳納米管薄膜中觀測到一種新型量子效應，該量子效應可能有助于獨特激光器和其它光電器件的研發。
“Rice－Tokyo”研究團隊報告稱，通過利用單壁碳納米管作為等離子體量子限域場（plasmonic quantum confinement fields），在量子尺度下操控光的能力取得重要進展。
該現象是在物理學家Junichiro Kono 的美國萊斯大學實驗室中發現的，這可能成為開發納米級近紅外激光器等光電器件的關鍵技術，納米級近紅外激光器發射連續光束的波長太短，以目前的技術水平還無法實現。
《Nature Communications》刊登了這項新研究的詳細介紹。
Kono團隊發現了這種“可在晶圓尺寸薄膜中實現碳納米管非常緊密的規則排列”的方法，這種薄膜–能夠實現那些在單根或纏結的納米管聚合體難以實現的實驗，這吸引了東京都立大學物理學家Kazuhiro Yanagi的關注，Yanagi專攻方向是納米材料中的凝聚物理學。于是雙方開始了聯合研究。
Kono關于此次合作項目介紹說：“這次研究中，Yanagi提供了‘門控技術（gating technique）’（該技術可控制納米管薄膜中電子的密度），我們提供了碳納米管對準技術。這是我們首次制造出帶‘門控柵極（gate）’的如此大面積規則排列的碳納米管薄膜，使我們實現了注入并取出大量的自由電子。”
Yanagi補充說道：“門控技術雖然非常有用，但是我之前使用的薄膜中的碳納米管是隨機排列的。這種情況是非常令人沮喪的，因為我無法準確地知曉這類薄膜中納米管的一維特性，而這其實非常重要。由Kono團隊提供的薄膜是非常令人驚嘆的，因為這些薄膜終于可以幫我解決這個難題。”
這兩個團隊將技術結合，實現了“將電子注入只有1納米寬的納米管中，然后用偏振光激發它們”的難題。碳納米管的寬度捕獲了量子阱中的電子，其中原子和亞原子粒子的能量被“限制”在某狀態或次能帶。然后偏振光使它們在管壁間迅速振蕩。Kono認為：“只要有足夠的電子，它們就可以充當等離子體。”
Kono說：“等離子體是一種在限制結構中的集體電荷振蕩。對于一塊平板、一片薄膜、一條絲帶、一個粒子或球體，如果你擾亂這些系統（通常使用光束），這些自由載體會以某個特征頻率集體運動。”而這種效應是由電子的數量和物體的大小和形狀共同決定的。
在美國萊斯大學的實驗中，由于納米管非常薄，以至于量子次能帶間的能量幾乎與等離子體的能量相當。Kono認為：“這就是等離子體激元的量子機制，其中子帶間過渡被稱為帶間等離子體激元（intersubband plasmon，ISP）。研究者已在超遠紅外波長范圍內的人造半導體量子阱中研究過該現象，但此次研究是首次在低維材料自然發生的狀態下、且波長如此短的情況下觀察到該現象。”
在等離子體激元響應中檢測到這種非常復雜的“柵極電壓（gate voltage）依賴”是一個驚喜，與其在金屬和半導體單壁納米管中的現象一樣。Kono認為：“通過研究光納米管相互作用的基本理論，我們能夠推導出共振能量的公式。令我們吃驚的是，這個公式非常簡單。只有納米管的直徑是其中的決定性變量。”
研究人員認為，該現象可能會促進通信學、光譜學和成像學、以及高度可調的近紅外量子級聯激光器等技術的進步。
Kono團隊是利用規則排列納米管進行器件研發的先鋒團隊。該研究的合著者、Kono團隊的博士后研究員Weilu Gao認為，傳統半導體激光器依賴于激光材料的帶隙寬度，但量子級聯激光器卻不是這樣。Weilu Gao說：“量子級聯激光器的波長是獨立于帶隙的。我們的激光就屬于此類。我們僅通過改變納米管的直徑，就可以調諧等離子體激元共振能量，完全不用考慮帶隙的問題。”
Kono還預測，這種柵極的、規則排列的納米管薄膜將使物理學家有機會研究Luttinger液體，一維導體中相互作用的電子理論。
Kono認為：“一維金屬預測與二維和三維金屬有很大的不同，碳納米管是觀察Luttinger液體行為的最佳候選方法之一。單納米管研究是相當困難的，但我們建立了一個宏觀的一維系統。通過摻雜或門控，就可以調整費米能量。我們甚至可以把一維半導體轉化成一維金屬。因此，這是研究此類物理現象的理想系統。”
東京都立大學凝聚物理學教授Yanagi是該論文的第一作者。論文的合著者還包括：東京都立大學的研究生Ryotaro Okada和Yota Ichinose、該專業助理教授Yohei Yomogida、以及萊斯大學的研究生Fumiya Katsutani。Kono是電子和計算機工程／物理和天文學／材料科學和納米工程的教授。
該研究由日本學術振興會科研補助金（KAKENHI）、日本科學技術發展推進核心項目、山田科學基金會與美國能源部的基礎能源科學項目、美國國家科學基金會與羅伯特·韋爾奇基金會共同資助。
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