La luce si aggancia alla materia nei nanotubi di carbonio e nel grafene
Armati di una comprensione di base di atomi, molecole e ottica, gli scienziati possono oggi affrontare sfide che solo pochi decenni fa sembravano impossibili: il controllo preciso di atomi, molecole ed elettroni utilizzando la luce. Inoltre, questa capacità di controllare i sistemi quantistici ha aperto la strada ad applicazioni rivoluzionarie. Il progetto QOCAN (Quantum optics of carbon nanostructures), finanziato dall’UE, ha riunito quattro team scientifici provenienti da Brasile, Islanda, Russia e Regno Unito allo scopo di creare la base teorica per l’utilizzo di nanostrutture basate sul carbonio quali componenti di nanodispositivi optoelettronici. La collaborazione di scienziati provenienti da due differenti comunità di ricerca è al centro del progetto. La luce quantistica incontra la materia condensata “La comunità della materia condensata, che si è concentrata sulle nanostrutture, che si unisce alla comunità dell’ottica quantistica, che tradizionalmente lavora con sistemi atomici e molecolari, è una nuova tendenza,” ha fatto notare il prof. Misha Portnoi dell’Università di Exeter nel Regno Unito, coordinatore di QOCAN. “Seguendo questa tendenza, il team di QOCAN ha affrontato con successo delle sfide fondamentali nei campi delle nanoscienze e della nanotecnologia. Essi hanno fornito alla comunità della ricerca un nuovo linguaggio scientifico per descrivere i fenomeni ottici quantistici nelle nanostrutture basate sul carbonio,” egli ha aggiunto. Teorie dell’elettrodinamica quantistica (QED) Gli scienziati di QOCAN hanno studiato le interazioni delle nanostrutture basate sul carbonio con la luce quantistica al fine di sviluppare nuove teorie della QED. La ricerca ha riguardato nanotubi di carbonio e grafene, visto che essi possiedono delle interessanti proprietà elettriche, magnetiche e ottiche. QED ha fornito il quadro teorico per descrivere l’interazione della luce con la materia, e quella delle particelle cariche tra loro. “La teoria del grafene soggetto a un campo elettromagnetico quantizzato e la modificazione indotta dal campo del suo spettro energetico degli elettroni è stata sviluppata,” spiega il dott. Portnoi. Questo è uno sviluppo molto importante, dal momento che è stato messo a punto un approccio teorico che si applica sia al grafene che ai semiconduttori. Questo rende possibile l’unificazione della descrizione quantistica con quella classica dell’interazione tra luce e materia. Per di più, gli scienziati di QOCAN hanno sviluppato la teoria delle proprietà elettroniche dei nanotubi di carbonio in presenza di luce quantistica, e hanno anche proposto nuove teorie riguardanti l’elettrodinamica dei dispositivi basati sui nanotubi di carbonio. Essi hanno inoltre integrato teoricamente i nanotubi di carbonio in una microcavità e hanno studiato le modificazioni dei suoi stati elettronici risultanti dalle fluttuazioni del campo elettromagnetico. Nell’intervallo della frequenza a terahertz Il dott. Portnoi conclude dicendo che QOCAN ha portato a “diverse proposte per l’utilizzo delle proprietà elettroniche delle nanostrutture basate sul carbonio nell’optoelettronica a terahertz. Oltre alla formulazione di una teoria per la risposta dei nanotubi basati sul carbonio alla luce quantistica generata da un laser nell’intervallo della frequenza a terahertz, abbiamo sviluppato nuove descrizioni teoriche dei rilevatori terahertz.” I rilevatori terahertz basati su nanotubi di carbonio potrebbero migliorare significativamente l’imaging medico, il controllo dei passeggeri negli aeroporti e la tecnologia di ispezione del cibo. L’intervallo di frequenza a terahertz, che rientra nell’intervallo più convenzionale utilizzato per l’elettronica e l’ottica, presenta grandi speranze e anche delle nuove ed eccitanti sfide per gli scienziati. L’energia fotonica nell’intervallo a terahertz è minore di quella per la luce visibile, e non esistono molti materiali in grado di assorbire la luce in modo efficiente e di convertirla in un segnale elettronico. Le scoperte di QOCAN suggeriscono che i nanotubi di carbonio potrebbero aiutare a colmare questa lacuna tecnica. Il successo di questa iniziativa di ricerca puramente teorica si riflette nelle 39 pubblicazioni in rinomate riviste a revisione paritaria, come Physical Review A&B, e anche negli atti di conferenze internazionali.
Parole chiave
Nanotubi di carbonio, QOCAN, optoelettronico, nanoscienze, grafene
