Naukowcy z naszego Instytutu dokonali znaczących postępów w teorii wielościennych nanorurek węglowych (MWCNTs). MWCNT jest dosyć skomplikowaną nanostrukturą ponieważ, w przeciwieństwie do SWCNT, składa się z wielu grafenowych cylindrów/warstw. Elektrony mogą poruszać się w wielu warstwach, a nawet interferować pomiędzy nimi, w poszukiwaniu cylindra o najmniejszym oporze. Jest to skomplikowana trajektoria, która do tej pory „broniła się” przed opisem teoretycznym. Jest to niefortunne zwłaszcza, że MWCNT są dużo tańsze w produkcji niż SWCNT i jako takie są bardziej obiecującą platformą dla przyszłych zastosowań. Dwie niedawne publikacje naszych naukowców, mgr Nairy Grigoryan i dr hab. Piotra Chudzińskiego, pozwoliły przybliżyć się do rozwiązania tego problemu.
Charakterystyczną cechą ruchu jednowymiarowego (1D), czyli np. w nanorurce, jest fakt, że poruszające się elektrony nie mają możliwości aby się ominąć. W wyniku tego powstaje kolektywna ciecz elektronowa, znana jako ciecz Tomonagi-Luttingera (TLL). Własności, takie jak przewodnictwo lub absorpcja, są zdeterminowane przez parametr ściśliwości TLL, K, i są zdecydowanie inne niż te które znamy w zwykłych metalach.
Pierwszy artykuł [pssb Vol.2400524, pp.1-10 (2025)] jest dedykowany parametrom ściśliwości w MWCNT. Teoria musiała uwzględnić dwa podstawowe efekty: MWCNT są jednym z najlepiej znanych przykładów systemów 1D (gdzie ruch ładunków może odbywać się tylko wzdłuż jednej osi współrzędnych – osi nanorurki) oraz istnienie skomplikowanego schematu przeskoków pomiędzy współosiowymi cylindrami. W naszych badaniach uwzględniliśmy fakt, że w MWCNT oprócz ładunku i spinu jest też dodatkowy stopień swobody związany ze strukturą pasmową, tak więc opis TLL musiał zostać uogólniony do czterech modów kolektywnych. Głównym rezultatem są dokładne wartości parametrów ściśliwości dla wszystkich modów. Okazuje się, że w przypadku gdy cały zestaw przeskoków pomiędzy cylindrami jest opisany rozkładem normalnym, ściśliwość modu niosącego ładunek (tzw. holonu) przyjmuje wartość uniwersalną. Wartości ściśliwości dla pozostałych trzech modów zależą od kształtu funkcji falowej w MWCNT i mogą być regulowane przez dodanie nieporządku lub lokalnych naprężeń.
W drugim artykule [Physical Review B, Vol.111, No.155439, pp.1-19 (2025)], wykorzystując obliczone parametry K, zbadano jak gęstość elektronowa (LDOS) jest rozłożona wzdłuż nanorurki. Podano wzór analityczny na LDOS w funkcji odległości od końca nanorurki i energii elektronów, dla dowolnej temperatury. Pokazano, że istnieją dwa typy MWNT, które nazwano metalami Coulomba i Hunda. Są one opisane różnymi wartościami K, charakterystycznymi odpowiednio dla materiałów opartych na węglu (zrolowany grafen) albo na cynie (zrolowany stanen) lub ołowiu (zrolowany plumben). Metal Hunda posiada charakterystyczny wierzchołek w LDOS dokładnie na końcu nanorurki. Przestudiowano nie tylko sytuację stabilnej, powolnej radiacji, ale także przypadek gdy zewnętrzne promieniowanie laserowe jest tak silne, że pojawiają się stany plazmonowo-polarytonowe. Druga publikacja została wyróżniona przez redaktorów Phys.Rev.B prestiżowym Highlight więc mamy nadzieję, że zainspiruje dalsze badania tych intrygujących nano-materiałów.
