Японці змусили нанотрубки світитися сильніше за світло

Дослідники з Японії відкрили механізм, за якого вуглецеві нанотрубки випромінюють світло з більшою енергією, ніж поглинають, без структурних дефектів.

Центр передових фотонічних технологій RIKEN продемонстрував, що одношарові вуглецеві нанотрубки (англ. single-walled carbon nanotubes, SWCNTs), здатні до фотолюмінесценції з підвищенням енергії (upconverted photoluminescence, UCPL). Це рідкісне явище дозволяє матеріалу випромінювати світло з вищою енергією, ніж поглинута, що суперечить типовій поведінці речовини. «Фонони більш поширені при вищих температурах, що підвищує ймовірність переходів, опосередкованих фононами», — пояснив керівник дослідження Юїчіро Като.

Попередні теорії вказували на необхідність наявності дефектів у структурі нанотрубок, що утримують екситони (зв’язані стани електрона і «дірки»). Проте команда з RIKEN довела, що навіть “незаймані” нанотрубки демонструють ефект UCPL, завдяки внутрішньому механізму взаємодії з фононами. Після поглинання інфрачервоного світла екситон поглинає додаткову енергію від квантових коливань кристалічної решітки — фононів. Це спричиняє утворення «темного екситона», який пізніше випромінює світло з підвищеною енергією.

Це відкриття має критичне значення для сонячної енергетики, оскільки дозволяє перетворювати невикористане інфрачервоне випромінювання на корисне видиме світло. Такий підхід потенційно підвищує ефективність фотогальванічних систем, роблячи їх продуктивнішими. «Створивши внутрішню модель UCPL… ми сподіваємося відкрити нові можливості», — зазначив Като, вказуючи на значення для фотоніки й оптоелектроніки.

Окрім сонячних панелей, механізм можна застосовувати в біомедичній візуалізації, де інфрачервоне світло проникає глибше у тканини та є менш шкідливим. Також UCPL може використовуватись у технологіях лазерного охолодження, ефективно відводячи теплову енергію. Таким чином, нові знання про поведінку екситонів у нанотрубках відкривають двері до революційних інженерних рішень у низці галузей.