Entdeckung neuer Energiephänomene durch Lichteinwirkung auf geschichtete Materialien

Forschungsgruppen der Universität Tsukuba und der Universität Rennes haben ein neuartiges Phänomen entdeckt, bei dem eine ineinandergreifende Struktur aus Kohlenstoffnanoröhren, die in Bornitrid-Nanoröhren eingewickelt sind, einen einzigartigen Fluchtweg für Elektronen ermöglicht, wenn sie Licht ausgesetzt werden. Diese Entdeckung eröffnet vielversprechende Möglichkeiten für verschiedene Anwendungen, darunter die Entwicklung optischer Hochgeschwindigkeitsgeräte, die schnelle Steuerung von Elektronen und anderen Teilchen sowie die effiziente Wärmeableitung von Geräten.

Jüngste Studien haben gezeigt, dass Materialien, die aus geschichteten Röhren bestehen, die atomar dick sind und als niedrigdimensionale Materialien klassifiziert werden, neue Eigenschaften aufweisen. Obwohl die statischen Eigenschaften dieser Strukturen, wie z. B. die elektrische Leitung, gut dokumentiert sind, wurde ihren dynamischen Eigenschaften, einschließlich der Elektronenübertragung zwischen Schichten und der durch Lichteinwirkung ausgelösten Atombewegung, weniger Aufmerksamkeit geschenkt.

In dieser Studie konstruierten Forscher ineinandergreifende zylindrische Strukturen, indem sie Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) in Bornitrid-Nanoröhren einwickelten. Anschließend untersuchten sie die Bewegung von Elektronen und Atomen, die durch ultrakurze Lichtimpulse auf einem eindimensionalen (1D) Material induziert werden. Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Natürliche Kommunikation.

Die Bewegung von Elektronen wurde mithilfe ultraschneller optischer Breitbandspektroskopie überwacht, die augenblickliche Änderungen in molekularen und elektronischen Strukturen aufgrund von Lichteinstrahlung mit einer Präzision von zehn Billionstelsekunden erfasst (10).⁻¹³ S). Die atomare Bewegung wurde mithilfe zeitaufgelöster ultraschneller Elektronenbeugung beobachtet, wodurch auch die Strukturdynamik mit einer Genauigkeit von zehn Billionstelsekunden überwacht werden konnte.

Die Studie ergab, dass sich ein Pfad oder Kanal bildet, wenn verschiedene Arten von niedrigdimensionalen Materialien übereinander geschichtet werden, wodurch Elektronen aus bestimmten Unterteilen des Materials entweichen können. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass in CNTs durch Lichteinwirkung angeregte Elektronen über diese elektronischen Kanäle in BNNTs übertragen werden können, wo ihre Energie schnell in thermische Energie umgewandelt wird, was eine extrem schnelle thermische Umwandlung ermöglicht.

Diese Forschung enthüllte ein neues physikalisches Phänomen an der Grenzfläche zwischen zwei verschiedenen Materialien, das nicht nur einen ultraschnellen Transport thermischer Energie, sondern auch potenzielle Anwendungen bei der Entwicklung ultraschneller optischer Geräte und der Manipulation der dadurch erzeugten Elektronen und Löcher bietet Licht.