Deeltjes die slechts nanometer groot zijn, lopen tegenwoordig voorop in wetenschappelijk onderzoek. Ze zijn er in veel verschillende vormen:staven, bollen, kubussen, blaasjes, S-vormige wormen en zelfs donutachtige ringen. Wat ze wetenschappelijk onderzoek waard maakt, is dat, zo klein zijn, ze vertonen kwantummechanische eigenschappen die niet mogelijk zijn met grotere objecten.

Onderzoekers van het Center for Nanoscale Materials (CNM), een U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility in het Argonne National Laboratory van DOE, hebben bijgedragen aan een onlangs gepubliceerde Natuurcommunicatie paper dat de oorzaak rapporteert achter een belangrijke kwantumeigenschap van donutachtige nanodeeltjes die 'halfgeleiderkwantumringen' worden genoemd. Deze eigenschap kan toepassing vinden in de opslag van kwantuminformatie, communicatie, en computergebruik in toekomstige technologieën.

In dit project, de CNM-onderzoekers werkten samen met collega's van de Universiteit van Chicago, Ludwig Maximilian Universiteit van München, Universiteit van Ottawa en National Research Council in Canada.

Het team assembleerde ronde ringen gemaakt van cadmiumselenide, een halfgeleider die zich leent voor het kweken van donutvormige nanodeeltjes. Deze kwantumringen zijn tweedimensionale structuren:kristallijne materialen die zijn samengesteld uit een paar lagen atomen. Het voordeel van halfgeleiders is dat wanneer onderzoekers ze met een laser prikkelen, ze zenden fotonen uit.

"Als je een tweedimensionale fotonenzender verlicht met een laser, je verwacht dat ze langs twee assen licht uitstralen, " zei Xuedan Ma, assistent-wetenschapper bij CNM. "Maar wat je verwacht is niet per se wat je krijgt. Tot onze verbazing, deze tweedimensionale ringen kunnen licht langs één as uitstralen."

Het team observeerde dit effect bij het doorbreken van de perfecte rotatiesymmetrie van de donutvorm, waardoor ze enigszins langwerpig zijn. "Door deze symmetrie te breken, " zegt mama, "we kunnen de richting van de lichtemissie veranderen. We kunnen dus bepalen hoe fotonen uit de donut komen en coherente directionele controle bereiken."

Omdat de fotonen in het licht vanuit deze ringen in een enkele richting worden uitgezonden, in plaats van zich in alle richtingen uit te spreiden, onderzoekers kunnen deze emissie afstemmen om effectief afzonderlijke fotonen te verzamelen. Met deze controle onderzoekers kunnen topologie-informatie in de fotonen integreren, die vervolgens kunnen worden gebruikt als boodschappers voor het vervoeren van kwantuminformatie. Het is misschien zelfs mogelijk om deze gecodeerde fotonen te exploiteren voor kwantumnetwerken en berekeningen.

"Als we nog meer controle kunnen krijgen over het fabricageproces, we zouden nanodeeltjes kunnen maken met verschillende vormen, zoals een klavertje met meerdere gaten of een rechthoek met een gat in het midden, " merkte Matthew Otten op, een Maria Goeppert Mayer Fellow bij Argonne's CNM. "Vervolgens, we kunnen misschien meer soorten kwantuminformatie of meer informatie in de nanodeeltjes coderen."

"Ik moet hieraan toevoegen dat geometrie niet de enige factor is die dit kwantumeffect veroorzaakt. De atomaire structuur van het materiaal telt ook, zoals vaak het geval is bij materialen op nanoschaal, " zei mam.

Een paper gebaseerd op de studie, "Uniaxiale overgangsdipoolmomenten in halfgeleiderkwantumringen veroorzaakt door gebroken rotatiesymmetrie, " verscheen onlangs in Natuurcommunicatie . Naast Ma en Otten, auteurs zijn onder andere Nicolai F. Hartmann, Igor Fedin, Dmitri Talapin, Moritz Cygorek, Pawel Hawrylak, Marek Korkusinski, Stephen Gray en Achim Hartschuh.