Światło sprzęga się z materią w nanorurkach węglowych i grafenie
Naukowcy dysponujący obecnie zasadniczą wiedzą na temat atomów, cząsteczek oraz optyki, mogą podejmować się zadań, które jeszcze kilkadziesiąt lat temu uchodziły za niemożliwe do wykonania. Precyzyjne sterowanie atomami, cząsteczkami i elektronami za pomocą światła. Co więcej, możliwość sterowania systemami kwantowymi zrodziła wiele rewolucyjnych zastosowań. W ramach finansowanego ze środków UE projekt QOCAN (Quantum optics of carbon nanostructures) połączono działania czterech zespołów badawczych z Brazylii, Islandii, Rosji i Wielkiej Brytanii, których celem było opracowanie podstaw teoretycznych służących wykorzystaniu nanostruktur węglowych jako elementów optoelektronicznych nanourządzeń. Głównym założeniem projektu była współpraca badaczy wywodzących się z różnych społeczności badawczych. Światło kwantowe dociera do materii skondensowanej "Społeczność materii skondensowanej koncentrująca się głównie na nanostrukturach podjęła współpracę ze społecznością optyki kwantowej, tradycyjnie zajmującą się systemami atomowymi i molekularnymi, co stanowi nowy sposób działania", zauważa prof. Misha Portnoi, koordynator projektu QOCAN z Uniwersytetu Exeter w Wielkiej Brytanii. "Zespół QOCAN działający w takim modelu z powodzeniem rozwiązał kluczowe problemy w zakresie nanotechnologii i nanonauki. Zespół udostępnił społeczności badawczej nowy język naukowy umożliwiający opisanie kwantowych zjawisk optycznych w nanostrukturach węglowych", dodaje. Teoria elektrodynamiki kwantowej (QED) Naukowcy pracujący w ramach projektu QOCAN przeanalizowali interakcje nanostruktur węglowych i światła kwantowego z zamiarem opracowania nowych teorii elektrodynamiki kwantowej (QED). Badacze skupili się na nanorurkach węglowych i grafenie, gdyż mają one intrygujące właściwości elektryczne, magnetyczne i optyczne. Teoria QED pozwoliła naukowcom na opracowanie ram teoretycznych służących opisowi interakcji światła i materii oraz wzajemnej interakcji naładowanych cząsteczek. "Teoria grafenu poddanego działaniu skwantowanego pola elektromagnetycznego oraz wywołanej polem modyfikacji spektrum energii elektronowej grafenu była bardzo złożona", wyjaśnia dr Portnoi. Jest to jednak istotne osiągnięcie, gdyż zostało opracowane ogólne podejście teoretyczne, które można zastosować zarówno do grafenu, jak i półprzewodników. Pozwala to na unifikację kwantowego i klasycznego opisu interakcji między światłem a materią. Ponadto naukowcy pracujący w projekcie QOCAN opracowali teorię elektronowych właściwości nanorurek węglowych w obecności światła kwantowego, jak również zaproponowali nowe teorie z zakresu elektrodynamiki urządzeń opartych o nanorurki węglowe. Naukowcy stworzyli również podstawy teoretyczne umiejscawiające nanorurki węglowe w mikrownękach i zbadali zmiany ich stanów elektronowych wynikające z wahań pól elektromagnetycznych. Zakres częstotliwości terahercowych Podsumowując, dr Portnoi stwierdził, że projekt QOCAN przyczynił się do opracowania "kilku propozycji wykorzystania właściwości elektronowych nanostruktur węglowych w optoelektronice terahercowej. Oprócz sformułowania teorii odpowiedzi nanorurek węglowych na generowane laserem światło kwantowe w zakresie częstotliwości terahercowych, opracowaliśmy nowe opisy teoretyczne terahercowych detektorów". Terahercowe detektory bazujące na nanorurkach węglowych mogą znacząco udoskonalić obrazowanie medyczne, kontrolę bezpieczeństwa pasażerów na lotniskach oraz technologię kontroli żywności. Zakres częstotliwości terahercowych — mieszczący się w bardziej konwencjonalnym zakresie wykorzystywanym na potrzeby elektroniki z jednej strony oraz optyki z drugiej — stanowi dla naukowców nie tylko wielką obietnicę, ale również fascynujący przedmiot niełatwych badań. Energia fotoniczna w zakresie terahercowynm jest mniejsza niż w świetle widzialnym i istnieje niewiele materiałów wydajnie pochłaniających światło i przekształcających je na sygnał elektroniczny. Wnioski opracowane w projekcie QOCAN sugerują, że nanorurki węglowe mogą zniwelować tę przepaść technologiczną. Sukces tej czysto teoretycznej inicjatywy badawczej został odzwierciedlony w 39 publikacjach w wielu renomowanych czasopismach, takich jak Physical Review A &B, oraz na międzynarodowych konferencjach.
Słowa kluczowe
Nanorurki węglowe, QOCAN, optoelektryczny, nanonauka, grafen
