We use the robust nearest-neighbor tight-binding approximation to study the same footing interband dipole transitions in narrow-bandgap carbon nanotubes (CNTs) and graphene nanoribbons (GNRs). It is demonstrated that curvature effects in metallic single-walled CNTs and edge effects in gapless GNRs not only open up bandgaps, which typically correspond to THz frequencies, but also result in a giant enhancement of the probability of optical transitions across these gaps. Moreover, the matrix element of the velocity operator for these transitions has a universal value (equal to the Fermi velocity in graphene) when the photon energy coincides with the bandgap energy. Upon increasing the excitation energy, the transition matrix element first rapidly decreases (for photon energies remaining in the THz range but exceeding two bandgap energies, it is reduced by three orders of magnitude), and thereafter it starts to increase proportionally to the photon frequency. A similar effect occurs in an armchair CNT with a bandgap opened and controlled by a magnetic field applied along the nanotube axis. There is a direct correspondence between armchair GNRs and single-walled zigzag CNTs. The described sharp photon-energy dependence of the transition matrix element, together with the van Hove singularity at the bandgap edge of the considered quasi-one-dimensional systems, makes them promising candidates for active elements of coherent THz radiation emitters. The effect of Pauli blocking of low-energy interband transitions caused by residual doping can be suppressed by creating a population inversion using high-frequency (optical) excitation.

1.
M.
Lee
and
M. C.
Wanke
,
Science
316
,
64
(
2007
).
2.
B.
Ferguson
and
X.-C.
Zhang
,
Nat. Mater.
1
,
26
(
2002
).
3.
D.
Dragoman
and
M.
Dragoman
,
Prog. Quantum Electron.
28
,
1
(
2004
).
4.
J.
Mangeney
,
A.
Merigault
,
N.
Zerounian
,
P.
Crozat
,
K.
Blary
, and
J. F.
Lampin
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
241102
(
2007
).
5.
E. A.
Avrutin
and
M. E.
Portnoi
,
Sov. Phys. Semicond.
22
,
968
(
1988
).
6.
V. V.
Kruglyak
and
M. E.
Portnoi
,
Tech. Phys. Lett.
31
,
1047
(
2005
).
7.
S. A.
Mikhailov
,
EPL (Europhys. Lett.)
79
,
27002
(
2007
).
8.
T.
Nagatsuma
,
IEICE Electron. Express
8
,
1127
(
2011
).
9.
J.
Maysonnave
,
S.
Huppert
,
F.
Wang
,
S.
Maero
,
C.
Berger
,
W.
de Heer
,
T. B.
Norris
,
L. A.
De Vaulchier
,
S.
Dhillon
,
J.
Tignon
,
R.
Ferreira
, and
J.
Mangeney
,
Nano Lett.
14
,
5797
(
2014
).
10.
M. B.
Gaifullin
,
N. V.
Alexeeva
,
A. E.
Hramov
,
V. V.
Makarov
,
V. A.
Maksimenko
,
A. A.
Koronovskii
,
M. T.
Greenaway
,
T. M.
Fromhold
,
A.
Patanè
,
C. J.
Mellor
,
F. V.
Kusmartsev
, and
A. G.
Balanov
,
Phys. Rev. Appl.
7
,
044024
(
2017
).
11.
R. R.
Hartmann
,
J.
Kono
, and
M. E.
Portnoi
,
Nanotechnology
25
,
322001
(
2014
).
12.
O. V.
Kibis
,
D. G. W.
Parfitt
, and
M. E.
Portnoi
,
Phys. Rev. B
71
,
035411
(
2005
).
13.
O. V.
Kibis
and
M. E.
Portnoi
,
Tech. Phys. Lett.
31
,
671
(
2005
).
14.
O. V.
Kibis
,
M.
Rosenau da Costa
, and
M. E.
Portnoi
,
Nano Lett.
7
,
3414
(
2007
).
15.
M. E.
Portnoi
,
O. V.
Kibis
, and
M.
Rosenau da Costa
,
Superlattices Microstruct.
43
,
399
(
2008
).
16.
M. E.
Portnoi
,
M.
Rosenau da Costa
,
O. V.
Kibis
, and
I. A.
Shelykh
,
Int. J. Mod. Phys. B
23
,
2846
(
2009
).
17.
M.
Rosenau da Costa
,
O. V.
Kibis
, and
M. E.
Portnoi
,
Microelectronics J.
40
,
776
(
2009
).
18.
R.
Saito
,
G.
Dresselhaus
, and
M.
Dresselhaus
, Physical Properties of Carbon Nanotubes (Imperial College Press, London, 1998), p. 276.
19.
J. W.
Mintmire
,
B. I.
Dunlap
, and
C. T.
White
,
Phys. Rev. Lett.
68
,
631
(
1992
).
20.
S.
Reich
,
C.
Thomsen
, and
P.
Ordejón
,
Phys. Rev. B
65
,
155411
(
2002
).
21.
W. Y.
Lo
,
G. Y. S.
Wu
, and
K. C.
Wu
,
Physica E
43
,
482
(
2010
).
22.
M.
Ouyang
,
J. L.
Huang
,
C. L.
Cheung
, and
C. M.
Lieber
,
Science
292
,
702
(
2001
).
23.
C.
Zhou
,
J.
Kong
, and
H.
Dai
,
Phys. Rev. Lett.
84
,
5604
(
2000
).
24.
F.
Bommeli
,
L.
Degiorgi
,
P.
Wachter
,
W. S.
Bacsa
,
W. A.
De Heer
, and
L.
Forro
,
Solid State Commun.
99
,
513
(
1996
).
25.
A.
Ugawa
,
A. G.
Rinzler
, and
D. B.
Tanner
,
Phys. Rev. B
60
,
R11305
(
1999
).
26.
M. E.
Itkis
,
S.
Niyogi
,
M. E.
Meng
,
M. A.
Hamon
,
H.
Hu
, and
R. C.
Haddon
,
Nano Lett.
2
,
155
(
2002
).
27.
T. I.
Jeon
,
J. H.
Son
,
K. H.
An
,
Y. H.
Lee
, and
Y. S.
Lee
,
J. Appl. Phys.
98
,
034316
(
2005
).
28.
T. I.
Jeon
,
K. J.
Kim
,
C.
Kang
,
I. H.
Maeng
,
J. H.
Son
,
K. H.
An
,
J. Y.
Lee
, and
Y. H.
Lee
,
J. Appl. Phys.
95
,
5736
(
2004
).
29.
T.
Jeon
,
K. J.
Kim
,
C.
Kang
,
S. J.
Oh
,
J. H.
Son
,
K. H.
An
,
D. J.
Bae
, and
Y. H.
Lee
,
Appl. Phys. Lett.
80
,
3403
(
2002
).
30.
N.
Akima
,
Y.
Iwasa
,
S.
Brown
,
A. M.
Barbour
,
J.
Cao
,
J. L.
Musfeldt
,
H.
Matsui
,
N.
Toyota
,
M.
Shiraishi
,
H.
Shimoda
, and
O.
Zhou
,
Adv. Mater.
18
,
1166
(
2006
).
31.
F.
Borondics
,
K.
Kamaras
,
M.
Nikolou
,
D. B.
Tanner
,
Z. H.
Chen
, and
A. G.
Rinzler
,
Phys. Rev. B
74
,
045431
(
2006
).
32.
H.
Nishimura
,
N.
Minami
, and
R.
Shimano
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
011108
(
2007
).
33.
L.
Ren
,
C. L.
Pint
,
L. G.
Booshehri
,
W. D.
Rice
,
X.
Wang
,
D. J.
Hilton
,
K.
Takeya
,
I.
Kawayama
,
M.
Tonouchi
,
R. H.
Hauge
, and
J.
Kono
,
Nano Lett.
9
,
2610
(
2009
).
34.
G. Y.
Slepyan
,
M. V.
Shuba
,
S. A.
Maksimenko
,
C.
Thomsen
, and
A.
Lakhtakia
,
Phys. Rev. B
81
,
205423
(
2010
).
35.
M. V.
Shuba
,
A. G.
Paddubskaya
,
A. O.
Plyushch
,
P. P.
Kuzhir
,
G. Y.
Slepyan
,
S. A.
Maksimenko
,
V. K.
Ksenevich
,
P.
Buka
,
D.
Seliuta
,
I.
Kasalynas
,
J.
Macutkevic
,
G.
Valusis
,
C.
Thomsen
, and
A.
Lakhtakia
,
Phys. Rev. B
85
,
165435
(
2012
).
36.
L.
Ren
,
C. L.
Pint
,
T.
Arikawa
,
K.
Takeya
,
I.
Kawayama
,
M.
Tonouchi
,
R. H.
Hauge
, and
J.
Kono
,
Nano Lett.
12
,
787
(
2012
).
37.
L.
Ren
,
Q.
Zhang
,
C. L.
Pint
,
A. K.
Wójcik
,
M.
Bunney
,
T.
Arikawa
,
I.
Kawayama
,
M.
Tonouchi
,
R. H.
Hauge
,
B.
A.
, and
J.
Kono
,
Phys. Rev. B
87
,
161401
(
2013
).
38.
Q.
Zhang
,
E. H.
Hároz
,
Z.
Jin
,
L.
Ren
,
X.
Wang
,
R. S.
Arvidson
,
A.
Lüttge
, and
J.
Kono
,
Nano Lett.
13
,
5991
(
2013
).
39.
T.
Kampfrath
,
K.
von Volkmann
,
C. M.
Aguirre
,
P.
Desjardins
,
R.
Martel
,
M.
Krenz
,
C.
Frischkorn
,
M.
Wolf
, and
L.
Perfetti
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
267403
(
2008
).
40.
T.
Nakanishi
and
T.
Ando
,
J. Phys. Soc. Jpn.
78
,
114708
(
2009
).
41.
H.
Ajiki
and
T.
Ando
,
J. Phys. Soc. Jpn.
62
,
1255
(
1993
).
42.
H.
Ajiki
and
T.
Ando
,
Physica B
216
,
358
(
1996
).
43.
M.
Fujita
,
K.
Wakabayashi
,
K.
Nakada
, and
K.
Kusakabe
,
J. Phys. Soc. Jpn.
65
,
1920
(
1996
).
44.
K.
Nakada
,
M.
Fujita
,
G.
Dresselhaus
, and
M. S.
Dresselhaus
,
Phys. Rev. B
54
,
17954
(
1996
).
45.
K.
Wakabayashi
,
M.
Fujita
,
H.
Ajiki
, and
M.
Sigrist
,
Phys. Rev. B
59
,
8271
(
1999
).
46.
V. A.
Saroka
,
M. V.
Shuba
, and
M. E.
Portnoi
,
Phys. Rev. B
95
,
155438
(
2017
).
47.
J.-C.
Charlier
and
S.
Roche
,
Rev. Mod. Phys.
79
,
677
(
2007
).
48.
C. L.
Kane
and
E. J.
Mele
,
Phys. Rev. Lett.
78
,
1932
(
1997
).
49.
A.
Kleiner
and
S.
Eggert
,
Phys. Rev. B
63
,
073408
(
2001
).
50.
A.
Kleiner
and
S.
Eggert
,
Phys. Rev. B
64
,
113402
(
2001
).
51.
S.
Reich
,
C.
Thomsen
, and
J.
Maultzsch
, Carbon Nanotubes: Basic Concepts and Physical Properties (John Wiley & Sons, Berlin, 2008), p. 224.
52.
W. A.
Harrison
, Electronic Structure and the Properties of Solids: The Physics of the Chemical Bond (Dover Publications, 1989), p. 586.
53.
R. R.
Hartmann
,
I. A.
Shelykh
, and
M. E.
Portnoi
,
Phys. Rev. B
84
,
035437
(
2011
).
54.
G. W.
Semenoff
,
Phys. Rev. Lett.
53
,
2449
(
1984
).
55.
R. R.
Hartmann
and
M. E.
Portnoi
,
Optoelectronic Properties of Carbon-based Nanostructures: Steering Electrons in Graphene by Electromagnetic Fields
(
LAP Lambert Academic Publishing
,
Saarbrücken
,
2011
).
56.
V. A.
Saroka
,
R. R.
Hartmann
, and
M. E.
Portnoi
, e-print arXiv:1811.00987 (
2018
).
57.
J.-Y.
Park
,
S.
Rosenblatt
,
Y.
Yaish
,
V.
Sazonova
,
H.
Üstünel
,
S.
Braig
,
T. A.
Arias
,
P. W.
Brouwer
, and
P. L.
McEuen
,
Nano Lett.
4
,
517
(
2004
).
58.
X.
He
,
H.
Htoon
,
S. K.
Doorn
,
W. H. P.
Pernice
,
F.
Pyatkov
,
R.
Krupke
,
A.
Jeantet
,
Y.
Chassagneux
, and
C.
Voisin
,
Nat. Mater.
17
,
843
(
2018
).
59.
W.
Gao
,
X.
Li
,
M.
Bamba
, and
J.
Kono
,
Nat. Photonics
12
,
362
(
2018
).
60.
D.
Headland
,
T.
Niu
,
E.
Carrasco
,
D.
Abbott
,
S.
Sriram
,
M.
Bhaskaran
,
C.
Fumeaux
, and
W.
Withayachumnankul
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
23
,
8500918
(
2017
).
61.
C. T.
White
,
J.
Li
,
D.
Gunlycke
, and
J. W.
Mintmire
,
Nano Lett.
7
,
825
(
2007
).
62.
V. A.
Saroka
,
A. L.
Pushkarchuk
,
S. A.
Kuten
, and
M. E.
Portnoi
,
J. Saudi Chem. Soc.
22
,
985
(
2018
).
63.
H.
Zheng
,
Z.
Wang
,
T.
Luo
,
Q.
Shi
, and
J.
Chen
,
Phys. Rev. B
75
,
165414
(
2007
).
64.
C.
Chang
,
Y.
Huang
,
C.
Lu
,
J.
Ho
,
T.
Li
, and
M.
Lin
,
Carbon
44
,
508
(
2006
).
65.
V. A.
Saroka
,
K. G.
Batrakov
,
V. A.
Demin
, and
L. A.
Chernozatonskii
,
J. Phys. Condens. Matter
27
,
145305
(
2015
).
66.
H.
Zhang
,
H.
Lin
,
K.
Sun
,
L.
Chen
,
Y.
Zagranyarski
,
N.
Aghdassi
,
S.
Duhm
,
Q.
Li
,
D.
Zhong
,
Y.
Li
,
K.
Müllen
,
H.
Fuchs
, and
L.
Chi
,
J. Am. Chem. Soc.
137
,
4022
(
2015
).
67.
D.
Gunlycke
and
C.
White
,
Phys. Rev. B
77
,
115116
(
2008
).
68.
T.
Ando
,
J. Phys. Soc. Jpn.
66
,
1066
(
1997
).
69.
F.
Wang
,
G.
Dukovic
,
L. E.
Brus
, and
T. F.
Heinz
,
Science
308
,
838
(
2005
).
70.
J.
Maultzsch
,
R.
Pomraenke
,
S.
Reich
,
E.
Chang
,
D.
Prezzi
,
A.
Ruini
,
E.
Molinari
,
M.
Strano
,
C.
Thomsen
, and
C.
Lienau
,
Phys. Rev. B
72
,
241402
(
2005
).
71.
J.
Shaver
and
J.
Kono
,
Laser Photonics Rev.
1
,
260
(
2007
).
72.
C. D.
Spataru
,
S.
Ismail-Beigi
,
L. X.
Benedict
, and
S. G.
Louie
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
077402
(
2004
).
73.
V.
Perebeinos
,
J.
Tersoff
, and
P.
Avouris
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
257402
(
2004
).
74.
V.
Perebeinos
,
J.
Tersoff
, and
P.
Avouris
,
Nano Lett.
5
,
2495
(
2005
).
75.
G. D.
Scholes
,
S.
Tretiak
,
T. J.
McDonald
,
W. K.
Metzger
,
C.
Engtrakul
,
G.
Rumbles
, and
M. J.
Heben
,
J. Phys. Chem. C
111
,
11139
(
2007
).
76.
P.
Avouris
,
Z.
Chen
, and
V.
Perebeinos
,
Nat. Nanotechnol.
2
,
605
(
2007
).
77.
P.
Avouris
,
M.
Freitag
, and
V.
Perebeinos
,
Nat. Photon.
2
,
341
(
2008
).
78.
S.
Kilina
,
J.
Ramirez
, and
S.
Tretiak
,
Nano Lett.
12
,
2306
(
2012
).
79.
H.
Harutyunyan
,
T.
Gokus
,
A. A.
Green
,
M. C.
Hersam
,
M.
Allegrini
, and
A.
Hartschuh
,
Nano Lett.
9
,
2010
(
2009
).
80.
R.
Miura
,
S.
Imamura
,
R.
Ohta
,
A.
Ishii
,
X.
Liu
,
T.
Shimada
,
S.
Iwamoto
,
Y.
Arakawa
, and
Y.
Kato
,
Nat. Commun.
5
,
5580
(
2014
).
81.
Y.
Luo
,
E. D.
Ahmadi
,
K.
Shayan
,
Y.
Ma
,
K. S.
Mistry
,
C.
Zhang
,
J.
Hone
,
J. L.
Blackburn
, and
S.
Strauf
,
Nat. Commun.
8
,
1413
(
2017
).
82.
A.
Jeantet
,
Y.
Chassagneux
,
T.
Claude
,
P.
Roussignol
,
J.-S.
Lauret
,
J.
Reichel
, and
C.
Voisin
,
Nano Lett.
17
,
4184
(
2017
).
83.
J.
Shaver
,
J.
Kono
,
O.
Portugall
,
V.
Krstić
,
G. L.
Rikken
,
Y.
Miyauchi
,
S.
Maruyama
, and
V.
Perebeinos
,
Nano Lett.
7
,
1851
(
2007
).
84.
A.
Srivastava
,
H.
Htoon
,
V. I.
Klimov
, and
J.
Kono
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
087402
(
2008
).
85.
M. E.
Portnoi
,
C. A.
Downing
,
R. R.
Hartmann
, and
I. A.
Shelykh
, in
2013 International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA)
(IEEE, 2013), pp. 231–234.
86.
R. R.
Hartmann
and
M. E.
Portnoi
,
Phys. Rev. A
95
,
062110
(
2017
).
87.
H.
Haug
and
S. W.
Koch
,
Quantum Theory of the Optical and Electronic Properties of Semiconductors, 5th ed.
(
World Scientific Publishing Company
,
2009
).
You do not currently have access to this content.