Licht verbindet sich mit Materie in Kohlenstoffnanoröhrchen und Graphen
Wissenschaftler sind heute mit einem grundlegenden Verständnis von Atomen, Molekülen und Optiken gewappnet und können sich dadurch Herausforderungen stellen, die vor wenigen Jahrzehnten unmöglich erschienen: der präzisen Kontrolle von Atomen, Molekülen und Elektronen mithilfe von Licht. Außerdem hat diese Fähigkeit, Quantensysteme zu kontrollieren, den Weg für revolutionäre Anwendungen eröffnet. Das von der EU finanzierte Projekt QOCAN (Quantum Optics of Carbon Nanostructures) brachte vier wissenschaftliche Teams aus Brasilien, Island, Russland und dem Vereinigten Königreich zusammen, um die theoretische Grundlage für die Verwendung von kohlenstoffbasierten Nanostrukturen als Elemente optoelektronischer Nanovorrichtungen zu schaffen. Die Zusammenarbeit von Wissenschaftlern aus zwei verschiedenen Forschungsbereichen liegt im Mittelpunkt des Projektes. Quantenlicht trifft auf kondensierte Materie „Dass die Forschungsgemeinschaft für kondensierte Materie, die sich auf Nanostrukturen konzentrierte, nun mit der Quantenoptik-Gemeinschaft zusammenarbeitet, die sich traditionell mit atomaren und molekularen Systemen beschäftigt, ist eine neue Tendenz", sagte Professor Misha Portnoi, QOCAN-Koordinator der Universität Exeter im Vereinigten Königreich. „Aufgrund dieser Tendenz hat das QOCAN-Team die kritischen Herausforderungen in Nanowissenschaften und Nanotechnologie erfolgreich bewältigt. Die Wissenschaftler lieferten der Forschungsgemeinschaft eine neue wissenschaftliche Sprache zur Beschreibung von quantenoptischen Phänomenen in kohlenstoffbasierten Nanostrukturen“", fügte er hinzu. Theorien der Quantenelektrodynamik (QED) Die Wissenschaftler von QOCAN- untersuchten die Wechselwirkungen von kohlenstoffbasierten Nanostrukturen und Quantenlicht, um neue QED-Theorien zu entwickeln. Die Forschung konzentriert sich auf Kohlenstoffnanoröhrchen und Graphen, da diese faszinierende elektrische, magnetische und optische Eigenschaften haben. QED lieferte den theoretischen Rahmen, um die Wechselwirkung von Licht und Materie und die von geladenen Teilchen untereinander zu beschreiben. „Die Theorie des Graphens, die einem quantisierten elektromagnetischen Feld unterworfen wurde, und die feldinduzierte Modifikation seines Elektronenenergiespektrums wurden erarbeitet“, erklärt Dr. Portnoi. Dies ist eine wesentliche Entwicklung, da ein generischer theoretischer Ansatz entwickelt wurde, der sowohl für Graphen als auch für Halbleiter gilt. Dies ermöglicht die Vereinheitlichung von quanten- und klassischen Beschreibungen der Licht-Materie-Interaktion. Weiterhin haben die Wissenschaftler von QOCAN die Theorie der elektronischen Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanoröhrchen in Gegenwart von Quantenlicht entwickelt und neue Theorien über die Elektrodynamik von Vorrichtungen auf der Basis von Kohlenstoffnanoröhrchen vorgeschlagen. Sie haben auch Kohlenstoff-Nanoröhrchen in einen Mikrohohlraum theoretisch eingebettet und Modifikationen seiner Elektronenzustände untersucht, die sich aus elektromagnetischen Feldschwankungen ergeben. Im Terahertz-Frequenzbereich Dr. Portnoi kommt zu dem Schluss, dass QOCAN zu „mehreren Vorschlägen für die Nutzung von elektronischen Eigenschaften von kohlenstoffbasierten Nanostrukturen in der Terahertz-Optoelektronik geführt hat. Neben der Formulierung einer Theorie für die Reaktion von kohlenstoffbasierten Nanoröhrchen auf lasergeneriertes Quantenlicht im Terahertz-Frequenzbereich haben wir neue theoretische Beschreibungen von Terahertz-Detektoren entwickelt.“ Terahertz-Detektoren, die auf Kohlenstoffnanoröhrchen basieren, konnten die medizinische Bildgebung, das Fluggast-Screening und die Lebensmittel-Inspektionstechnologie deutlich verbessern. Der Terahertzfrequenzbereich, der zwischen den konventionelleren Bereich fällt, der für Elektronik einerseits und für Optik andererseits genutzt wird, liefert den Wissenschaftlern ein großes Versprechen sowie neue, spannende Herausforderungen. Die photonische Energie im Terahertzbereich ist geringer als die des sichtbaren Lichts und es gibt nicht sehr viele Materialien, die Licht effizient absorbieren und es in ein elektronisches Signal umwandeln. Die Ergebnisse von QOCAN deuten darauf hin, dass Kohlenstoffnanoröhrchen dabei helfen können, die technische Lücke zu schließen. Der Erfolg dieser rein theoretischen Forschungsinitiative spiegelt sich in 39 Publikationen in renommierten Fachzeitschriften, wie Physical Review A & B, sowie in internationalen Tagungsbänden wider.
Schlüsselbegriffe
Kohlenstoff-Nanoröhrchen, QOCAN, optoelektronisch, Nanowissenschaften, Graphen
