碳纳米管的释放量如何超过其接收量

RIKEN的三位物理学家发现了碳纳米管如何发出比照射在它们身上的光更有能量的光。这一发现可能有助于在太阳能和生物成像等应用中利用这一过程

一些特殊的油漆在紫外线照射下会发光。它们是传统光致发光的经典例子：当被高能光（紫外光）照射时，它们会发出低能光（可见光）

但令人惊讶的是，某些材料表现出相反的效果——照射光线，它们会发出更高能量的光。这种奇怪的现象被称为上转换光致发光（UCPL）。例如，它可以通过将低能光转换为适合发电的高能波长来提高太阳能电池的效率

在常规光致发光中，光撞击材料并将电子踢到更高的能级，留下带正电的“空穴”。

最初，电子-空穴对以激子的状态粘在一起。但最终，电子和空穴复合，在这个过程中发光

在正常的光致发光中，激子会向材料损失能量，因此发射的光带走的能量比入射光少。然而，在UCPL中，激子通过与材料中的振动（称为声子）相互作用而从材料中获得能量提升

现在，Yuichiro Kato和两位同事，都在RIKEN高级光子学中心，已经确切地确定了UCPL在单壁碳纳米管中的工作原理——饮用只有几十亿分之一米宽的吸管状碳圆柱体。该研究发表在《物理评论B》杂志上。之前的理论表明，如果激子被纳米管结构中的缺陷暂时捕获，UCPL只能发生在单壁碳纳米管中。但研究人员发现，即使在无缺陷的纳米管中，UCPL也能高效发生，这表明另一种机制正在发挥作用。

三人发现，当电子被光激发时，它会同时从声子获得能量提升，形成“暗激子”态。在损失一点能量后，激子最终发射出比入射激光能量更多的光

提高温度产生了更强的UCPL效应，证实了他们模型的预测。加藤说：“声子在更高的温度下更丰富，增加了声子介导跃迁的可能性。”

研究人员计划研究使用激光照射冷却纳米管以通过UCPL去除热能的可能性，并探索能量收集的机会来创建基于纳米管的设备

加藤说：“通过在单壁碳纳米管中建立UCPL的内在模型，我们希望为设计先进的光电和光子器件开辟新的可能性。” More information: Daichi Kozawa et al, Intrinsic process for upconversion photoluminescence via K -momentum–phonon coupling in carbon nanotubes, Physical Review B (2024). DOI: 10.1103/PhysRevB.110.155418

Journal information: Physical Review B