تصویربرداری بی‌سابقه از ذرات نوری در نانولوله‌های کربنی

پژوهشگران ژاپنی موفق شدند با استفاده از فناوری نوین تصویربرداری فروسرخِ فوق‌سریع در ابعاد نانومتری، دینامیک اکسیتون‌ها را در درون نانولوله‌های کربنی آشکار کنند؛ یافته‌ای که می‌تواند مسیر توسعه نسل آینده تجهیزات نوری و فناوری‌های کوانتومی را هموار کند.

کد خبر: ۸۱۷۸۵۳

تاریخ: ۱۸ تير ۱۴۰۴ - ۰۹:۳۹

به گزارش روز چهارشنبه گروه علمی ایران اکونومیست از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، اکسیتون‌ها، ذرات شبه‌کوانتومی حاصل از پیوند الکترون و حفره، نقشی اساسی در فرایندهای نوری و الکترونیکی مواد نیمه‌رسانا دارند؛ اما عمر بسیار کوتاه آن‌ها در حد فمتوثانیه تا پیکوثانیه و ابعاد نانومتری‌شان، همواره مشاهده مستقیم آن‌ها را به چالشی بزرگ تبدیل کرده‌ است.

اکنون تیمی از پژوهشگران مؤسسه علوم مولکولی ژاپن (Institute for Molecular Science) به سرپرستی دکتر جون نیشیدا (Jun Nishida) و دکتر تاکاشی کوماگای (Takashi Kumagai)، با همکاری دانشگاه توکیو و مرکز تحقیقاتی RIKEN، موفق شده‌اند دینامیک این ذرات را در درون نانولوله‌های کربنی (CNTs) با وضوح مکانی و زمانی بی‌سابقه مشاهده کنند.

این موفقیت با بهره‌گیری از میکروسکوپ نوری میدان‌نزدیک فروسرخِ فوق‌سریع به دست آمده‌ است؛ دستگاهی که پالس‌های نوری فروسرخ با بازه زمانی فمتوثانیه را روی ناحیه‌ای در حد نانومتر متمرکز می‌کند و امکان ثبت برهم‌کنش‌های نور و ماده را در بُعد زمانی و مکانی فراهم می‌سازد.

نانولوله‌های کربنی، ساختارهایی استوانه‌ای در مقیاس نانو با ویژگی‌های منحصر به‌فرد الکترونیکی و نوری هستند که آن‌ها را به نامزدهای جدی در حوزه نانوالکترونیک و نانوفتونیک تبدیل کرده‌ است. با تابش نور، درون این ساختارها اکسیتون‌هایی ایجاد می‌شود که رفتار آن‌ها مستقیماً بر جذب نور، تابش و انتقال بار تأثیر می‌گذارد.

در این پژوهش، تیم تحقیقاتی ابتدا با پالس‌های مرئی، اکسیتون‌هایی در نانولوله‌ها ایجاد کرده و سپس با پالس‌های میدان‌نزدیک فروسرخِ فوق‌سریع، رفتار زمانی و مکانی آن‌ها را ردیابی کردند.

نتایج نشان داد که حتی اعوجاج‌های ساختاری بسیار ظریف یا برهم‌کنش با نانولوله‌های مجاور در ساختارهای دسته‌ای (bundled CNTs) می‌تواند مسیر آرامش و واپاشی اکسیتون‌ها را دگرگون کند.

برای تفسیر داده‌های تجربی، محققان مدل نظری دقیقی توسعه دادند که تعامل میان اکسیتون‌ها و میدان‌نزدیک فروسرخ را با در نظر گرفتن گذارهای درون‌اکسیتونی و پاسخ‌های دی‌الکتریک مدل‌سازی می‌کند. شبیه‌سازی‌های مبتنی بر مدل نقطه-دی‌پل، همخوانی دقیقی با نتایج تجربی داشتند و مبنای نظری مستحکمی برای پژوهش‌های آتی فراهم کردند.

نیشیدا درباره اهمیت این دستاورد می‌گوید: «توانایی مشاهده مستقیم ذرات کوانتومی مانند اکسیتون‌ها در سیستم‌های یک‌بعدی همچون نانولوله‌های کربنی، یک پیشرفت بزرگ در فناوری اندازه‌گیری است.»

کوماگای نیز می‌افزاید: «این پژوهش زمینه‌ساز طراحی نسل جدیدی از ابزارهای نانوفوتونیکی پرسرعت و فناوری‌های نوری کوانتومی خواهد بود.»