Elektrodynamika kwantowa w nanomateriałach węglowych

Nanotechnologia polega na wykorzystaniu materiałów i urządzeń o niezwykle małych wymiarach - w skali atomów i cząsteczek. Wiele materiałów o tak małych rozmiarach posiada zaskakująco wyjątkowe i egzotyczne właściwości w porównaniu do swoich odpowiedników w postaci masowej. Zachowanie nanomateriałów można opisać przy pomocy mechaniki kwantowej w sposób odmienny od tego, jaki oferuje klasyczna mechanika.

Finansowany ze środków UE projekt QOCAN (Quantum optics of carbon nanostructures) połączył siły czterech zespołów badawczych, których celem było opracowanie podstaw teoretycznych dla wykorzystania nanostruktur węglowych jako elementów nowoczesnych optoelektronicznych nanourządzeń. Nanomateriały węglowe, takie jak nanorurki węglowe (CNT) i grafen mają intrygujące właściwości elektryczne, optyczne i magnetyczne, które wzbudzają olbrzymie zainteresowanie. Naukowcy badają interakcje nanostruktur węglowych i światła kwantowego z zamiarem opracowania teorii elektrodynamiki kwantowej (QED) i opisania jej wpływu na te materiały.

QED to teoria kwantowa siły elektrodynamicznej, interakcji zachodzących między naładowanymi cząsteczkami a polem elektromagnetycznym. Przy pomocy formuł matematycznych, teoria ta opisuje nie tylko wszystkie interakcje światła z materią, ale również wzajemne interakcje pomiędzy naładowanymi cząsteczkami. Jest jedną z najbardziej skutecznych dotychczas opracowanych teorii fizycznych.

W pierwszym okresie sprawozdawczym badacze poczynili znaczne postępy w realizacji wszystkich wyznaczonych celów. Pracowali nad rozwinięciem teorii QED w zastosowaniu do grafenu i stanów wzbudzenia jego elektronów poddanych działaniu skwantowanego pola elektromagnetycznego. Ponadto opracowali teorię właściwości elektronowych nanorurek węglowych w obecności światła kwantowego, jak również zaproponowali teorie z zakresu elektrodynamiki kwantowej wnęk rezonansowych w odniesieniu do nanorurek węglowych. Elektrodynamika kwantowa wnęk rezonansowych opisuje zachowanie atomów i fotonów zamkniętych w bardzo małych wnękach i stanowi niezwykle użyteczny model eksperymentalny, tłumaczący zachowanie kwantowe znacząco różne od zachowania w wolnej przestrzeni.

W końcu, zespół sformułował teorie właściwości nanorurek węglowych i grafenu w zakresie terahercowym. Zakres terahercowy jest aktualnie przedmiotem intensywnych badań i prac zmierzających do opracowania innowacyjnych urządzeń do zastosowania w takich dziedzinach, jak, między innymi, obrazowanie, medycyna, biologia i eksploracja przestrzeni kosmicznej.

Zbliżenie społeczności pracującej nad skondensowaną materią i jej wiedzy o nanostrukturach ze społecznością optyki kwantowej, tradycyjnie zajmującą się systemami atomowymi i molekularnymi pomoże w otwarciu nowych rynków dla obu tych dziedzin.