Los Alamos National Laboratory heeft het eerste bekende materiaal geproduceerd dat in staat is tot emissie van één foton bij kamertemperatuur en bij telecommunicatiegolflengten. Deze koolstofnanobuisjes-kwantumlichtzenders kunnen belangrijk zijn voor optisch gebaseerde kwantuminformatieverwerking en informatiebeveiliging, terwijl het ook van groot belang is voor ultragevoelige detectie, metrologie- en beeldvormingsbehoeften en als fotonbronnen voor fundamentele vooruitgang in kwantumopticastudies. Het onderzoek werd vandaag gerapporteerd in het tijdschrift Natuurfotonica .

"Door het oppervlak van de nanobuisjes chemisch te modificeren om lichtgevende defecten controleerbaar te introduceren, we hebben koolstofnanobuisjes ontwikkeld als een enkele fotonenbron, werken aan het implementeren van defecte kwantumstralers die bij kamertemperatuur werken en hun functie demonstreren in technologisch bruikbare golflengten, " zei Stephen Doorn, leider van het project in Los Alamos en lid van het Center for Integrated Nanotechnologies (CINT). "Ideaal, een enkele fotonenzender zal zowel bij kamertemperatuur werken als emissie bij telecomgolflengten, maar dit is een ongrijpbaar doel gebleven. Tot nu toe, materialen die in deze golflengten als afzonderlijke fotonenzenders zouden kunnen werken, moesten worden gekoeld tot vloeibare heliumtemperaturen, waardoor ze veel minder bruikbaar zijn voor ultieme toepassingen of wetenschappelijke doeleinden, " hij zei.

Een cruciale doorbraak in het CINT-nanobuiswerk was het vermogen van het team om de nanobuis te dwingen licht uit te zenden vanaf een enkel punt langs de buis, alleen op een defectlocatie. De sleutel was om het aantal defecten te beperken tot één per buis. een buis, een defect, één foton. . . . Door slechts één foton tegelijk uit te zenden, men kan dan de kwantumeigenschappen van de fotonen voor opslag regelen, manipulatie en overdracht van informatie.

De CINT-onderzoekers waren in staat om deze mate van controle te bereiken met behulp van op diazonium gebaseerde chemie, een proces dat ze gebruikten om een ​​organisch molecuul aan het oppervlak van de nanobuis te binden om als defect te dienen. De diazoniumreactiechemie maakte een beheersbare introductie van op benzeen gebaseerde defecten mogelijk met verminderde gevoeligheid voor natuurlijke fluctuaties in de omgeving. belangrijk, de veelzijdigheid van de diazoniumchemie stelde de onderzoekers ook in staat toegang te krijgen tot de inherente afstembaarheid van emissiegolflengten van nanobuizen.

De golflengten (of kleur) van de fotonen die in de meeste andere benaderingen werden geproduceerd, waren te kort voor telecommunicatietoepassingen, waar fotonen efficiënt moeten worden gemanipuleerd en getransporteerd binnen optische circuits. Het team ontdekte dat door een nanobuis met de juiste diameter te kiezen, de enkele fotonenemissie zou kunnen worden afgestemd op het essentiële telecomgolflengtegebied.

De gefunctionaliseerde koolstofnanobuisjes hebben aanzienlijke vooruitzichten voor verdere ontwikkeling, Doorn merkte op, inclusief vooruitgang in functionaliseringschemie; integratie in fotonisch, plasmonische en metamaterialenstructuren voor verdere controle van kwantumemissie-eigenschappen; en implementatie in elektrisch aangedreven apparaten en optische circuits voor diverse toepassingen.