‘Trionların’ kiralitesi kuantum optiği için yeni yolları aydınlatıyor

Tokyo Metropolitan Üniversitesi’nden bilim adamları, iki elektrondan ve atomik olarak ince karbon atomu ruloları üzerindeki pozitif yüklü bir delikten (veya tam tersi) oluşan yüklü durumların, ışıkla etkileşime girme şekillerinde yapıdan türetilmiş bir “el tercihi” olduğunu keşfettiler. Elektron-delik çiftlerinin veya “eksitonların” altta yatan nanotüpün kiralitesini koruduğu bilinmesine rağmen ekip, “triyonlar” oluşturmak için bir yük eklemenin bu özelliği değiştirmediğini gösterdi.

Dergide yayınlanan çalışmaları Doğa İletişimikarbon nanotüplerin yeni nesil optoelektronik cihazlarda kullanılabileceği yeni yolları vurguluyor.

Kiralite, maddi dünyanın büyüleyici bir özelliğidir. İster dairesel bir merdiven, ister sıkılmış bir havlu, ister çift sarmallı DNA veya farmasötik moleküller olsun, bir nesnenin çoğu zaman bir “el kullanımı” olabilir, bu da onun ayna görüntüsünün hiçbir zaman orijinaliyle eşleştirilemeyeceği anlamına gelir.

Bu ışığın doğasına kadar uzanır. Dairesel polarize ışık, hareket yönü boyunca sola veya sağa dönen bir elektromanyetik alana sahiptir. Bunun gibi ışık, yapısında kendi kiralitesi olan malzemelerle farklı şekilde etkileşime girebilir. Araştırmacılar, dairesel dikroizm olarak bilinen bu özelliğin, nanoteknolojide ışık ve elektrik akımını manipüle etmenin anahtarı olduğuna inanıyor.

Nanotüp yapısı ışık etkileşimlerini şekillendiriyor

Karbon atomlarının ultra ince sarılmış silindirleri olan tek duvarlı karbon nanotüpler (SWCNT’ler), kiralitenin gelecekteki cihazlara kazandırılmasında öncülerden biridir. Bükülmüş bir gazete gibi, tüpün yüzeyi de atomların nasıl düzenlendiğine bağlı olarak bir el açısına sahip olabilir.

Bu sol ve sağ karbon nanotüpler, alttaki nanotüpün kiralitesine bağlı olarak dairesel bir dikroizm sergileyen eksitonları, negatif yüklü elektron çiftlerini ve pozitif yüklü delikleri barındırabilir. Karbon nanotüplerdeki eksitonlar, oda sıcaklığında stabil olduklarından uygulamalar için özellikle ilgi çekicidir.

Ancak bunlar, yaratılabilecek tüm durumlar için buzdağının görünen kısmıdır. Örneğin, çiftlere eklenmiş bir elektron veya delik bulunabilir ve bu da yüklü bir “triyon”a yol açabilir. Trionlar potansiyel olarak faydalı olsa da, önemli bir konu kaldı: Ekstra yüklü bir parçacık eklemenin kiral özelliklerini etkileyip etkilemeyeceği, özellikle de orijinal eksitonun “yapıdan türetilmiş” kiralitesinin korunup korunmayacağı.

Trionlar kiral imzalarını koruyor

Şimdi, Tokyo Metropolitan Üniversitesi’nden Profesör Kazuhiro Yanagi liderliğindeki bir ekip, sol ve sağ elli SWCNT’lerin özel olarak ayrılmış örneklerini kullanarak bu sorunu çözdü.

Elektrokimya kullanarak trionlar üreterek, dairesel dikroizmlerini benzeri görülmemiş bir hassasiyetle ölçebildiler. Ölçümleri, trionların kiralitesinin, bunların oluşturulduğu eksitonların kiralitesiyle eşleştiğini ve altta yatan SWCNT’nin kiralitesini doğru bir şekilde yansıttığını gösterdi. Kiralite derecesinin de kabaca orijinal eksitonlarla aynı olduğu bulundu.

Trionlar, SWCNT’lere elektronlar veya delikler enjekte edilerek kolayca oluşturulabildiğinden, bu, bunların dairesel polarize ışıkla etkileşim derecesinin elektriksel olarak kontrol edilmesinin yolunu açar. Bu, ışığın amplifikasyonu, tespiti ve modülasyonu gibi heyecan verici yeni teknolojilere yol açabilir.