Углеродные нанотрубки: как двигаются крошечные частицы света

Как заглянуть в мир, где квантовые частицы движутся с невероятной скоростью и живут меньше миллиардной доли секунды? Ученые из Японии нашли способ — они впервые напрямую зафиксировали сверхбыструю динамику экситонов в углеродных нанотрубках, открыв окно в квантовую реальность.

Ученые впервые напрямую увидели, как ведут себя экситоны — квантовые частицы, существующие лишь фемтосекунды, открыв возможность исследовать их движение в реальном времени внутри наноструктур

Источник: Midjourney

В журнале Science Advances вышла работа японских исследователей, которым удалось зафиксировать поведение экситонов — квазичастиц, состоящих из электрона и дырки — в углеродных нанотрубках, или УНТ, с беспрецедентным пространственно-временным разрешением. Это стало возможным благодаря передовому инструменту — сверхбыстрому инфракрасному ближнепольному микроскопу, способному направлять фемтосекундные импульсы света в наномасштабные области.

Углеродные нанотрубки — это тончайшие цилиндры из углерода, толщина которых в тысячи раз меньше человеческого волоса. Они обладают уникальными свойствами, включая высокую электропроводность и способность эффективно взаимодействовать со светом, что делает их идеальными кандидатами для наноэлектроники и квантовой оптики.

Эксперимент проводился в Институте молекулярных наук (IMS/SOKENDAI) при участии коллег из Токийского университета и RIKEN. Ученые возбуждали экситоны с помощью импульсов видимого света, а затем отслеживали их путь в пространстве и времени с помощью инфракрасных ближнепольных импульсов. Это позволило увидеть, как экситоны перемещаются внутри отдельных нанотрубок, и как на их поведение влияют деформации структуры и близость других нанотрубок.

Прямое наблюдение сверхбыстрой локальной динамики экситона с помощью сверхбыстрого инфракрасного ближнепольного оптического микроскопа

Источник: Takashi Kumagai

Для объяснения полученных данных была разработана специальная теоретическая модель, учитывающая взаимодействие экситонов с ближним полем. Модель успешно воспроизвела экспериментальные результаты, что подтвердило точность нового метода.

По словам доктора Нисиды, исследование открывает новый этап в наблюдении за квантовыми процессами в одномерных наноструктурах. А профессор Кумагаи уверен: это шаг к созданию нанооптических устройств нового поколения, где свет и материя взаимодействуют с невиданной ранее точностью.

Наблюдать, как световые квазичастицы движутся внутри углеродных нанотрубок, — значит заглядывать в самые быстрые и тонкие процессы природы. Но что, если не просто наблюдать, а научиться управлять ими? Ранее Наука Mail рассказала, как исследователи создали оптический элемент памяти, способный не только направлять свет, но и хранить информацию на его основе.