Como os nanotubos de carbono dão mais do que recebem

Três físicos de Riken descobriram como pequenos tubos de carbono cuspiram luz mais enérgica do que a luz brilhava neles. Esse achado pode ajudar a explorar o processo em aplicações como energia photo voltaic e imagem biológica.

Algumas tintas especiais brilham quando você brilha luz ultravioleta sobre elas. São exemplos clássicos de fotoluminescência convencional: quando iluminados por luz de alta energia (luz ultravioleta), eles emitem luz de energia mais baixa (luz visível).

Mas, surpreendentemente, certos materiais exibem o efeito oposto – levem a luz sobre eles e emitem uma luz de energia mais alta. Esse fenômeno curioso é chamado de fotoluminescência de conversão up (UCPL). Isso poderia aumentar a eficiência das células solares, por exemplo, convertendo luz de baixa energia em comprimentos de onda de alta energia, adequados para gerar eletricidade.

Na fotoluminescência common, a luz atinge um materials e chuta um elétron em um nível de energia mais alto, deixando para trás um “buraco” carregado positivamente.

Inicialmente, o par de elétrons -buraco se junta em um estado conhecido como exciton. Mas, eventualmente, o elétron e o orifício recombina, emitindo luz no processo.

Na fotoluminescência regular, o exciton perde energia para o materials e, portanto, a luz emitida levanta menos energia do que a luz que entrou. Na UCPL, no entanto, o exciton recebe um aumento de energia do materials, interagindo com vibrações conhecidas como como Fônons.

Agora, Yuichiro Kato e dois colegas, todos no Riken Middle for Superior Photonics, derrubaram exatamente como o UCPL funciona em nanotubos de carbono de parede única-cilindros de carbono em forma de fita. O estudo é publicado no diário Revisão física b.

Teorias anteriores haviam sugerido que a UCPL só poderia acontecer em nanotubos de carbono de parede única se excitons foram temporariamente presos por defeitos na estrutura do nanotubo. Mas os pesquisadores descobriram que a UCPL ocorreu com alta eficiência Mesmo em nanotubos sem defeitos, sugerindo que um mecanismo alternativo estava em ação.

O trio descobriu que, quando um elétron é excitado pela luz, ele recebe um aumento de energia simultâneo de um fônon para formar um estado de “exciton escuro”. Depois de perder um pouco de energia, o exciton finalmente emite luz com mais energia do que o laser que chegou.

Aumentar a temperatura produziu um efeito UCPL mais forte, confirmando previsões feitas por seu modelo. “Os fônons são mais abundantes em temperaturas mais altas, aumentando a probabilidade de transições mediadas por fônonos”, diz Kato.

Os pesquisadores planejam estudar a possibilidade de resfriar um nanotubo usando iluminação a laser para remover energia térmica pela UCPL e discover oportunidades de colheita de energia para criar um dispositivo baseado em nanotubos.

“Ao estabelecer um modelo intrínseco de UCPL em nanotubos de carbono de parede únicaesperamos abrir novas possibilidades para projetar dispositivos optoeletrônicos e fotônicos avançados “, diz Kato.