(PhysOrg.com) -- Met behulp van een unieke hybride nanostructuur, Onderzoekers van de Universiteit van Maryland hebben een nieuw type licht-materie-interactie aangetoond en ook de eerste volledige kwantumcontrole van qubit-spin aangetoond in zeer kleine colloïdale nanostructuren (enkele nanometers), daarmee een belangrijke stap voorwaarts in de inspanningen om een ​​kwantumcomputer te creëren.

Gepubliceerd in het nummer van 1 juli van Natuur , hun onderzoek bouwt voort op het werk van hetzelfde onderzoeksteam uit Maryland dat in maart in het tijdschrift werd gepubliceerd Wetenschap (3-26-10). Volgens de auteurs en externe deskundigen, de nieuwe bevindingen versterken de belofte die deze nieuwe nanostructuren inhouden voor kwantumcomputers en voor nieuwe, efficiënter, technologieën voor energieopwekking (zoals fotovoltaïsche cellen), evenals voor andere technologieën die gebaseerd zijn op interacties tussen licht en materie, zoals biomarkers.

"De echte doorbraak is dat we een nieuwe technologie uit de materiaalwetenschap gebruiken om licht te werpen op interacties tussen licht en materie en aanverwante kwantumwetenschap op manieren waarvan we denken dat ze belangrijke toepassingen zullen hebben op veel gebieden, met name energieconversie en -opslag en kwantumcomputers, " zei hoofdonderzoeker Min Ouyang, een assistent-professor in de afdeling natuurkunde en in het Maryland NanoCenter van de universiteit. "In feite, ons team past ons nieuwe begrip van licht-materie-interacties op nanoschaal en de vooruitgang van nauwkeurige controle van nanostructuren al toe op de ontwikkeling van een nieuw type fotovoltaïsche cel waarvan we verwachten dat deze aanzienlijk efficiënter zal zijn in het omzetten van licht in elektriciteit dan de huidige cellen."

Ouyang en de andere leden van het team van de Universiteit van Maryland -- onderzoekswetenschapper Jiatao Zhang, en studenten Kwan Lee en Yun Tang -- hebben een proces ontwikkeld, waarvoor patent is aangevraagd, waarbij chemische thermodynamica wordt gebruikt om te produceren, in oplossing, een breed scala aan verschillende combinatiematerialen, elk met een omhulsel van structureel perfecte monokristallijne halfgeleider rond een metalen kern. In het onderzoek dat deze week in Nature is gepubliceerd, de onderzoekers gebruikten hybride metaal / halfgeleider-nanostructuren die via dit proces zijn ontwikkeld om experimenteel "afstembare resonante koppeling" aan te tonen tussen een plasmon (van metalen kern) en een exciton (van halfgeleiderschil), met als resultaat een verbetering van het Optical Stark Effect. Dit effect werd zo'n 60 jaar geleden ontdekt in studies naar de interactie tussen licht en atomen, waaruit bleek dat licht kan worden toegepast om atomaire kwantumtoestanden te wijzigen.

"Metaal-halfgeleider heteronanostructuren zijn de afgelopen jaren intensief onderzocht met de metalen componenten die worden gebruikt als antennes op nanoschaal om licht veel effectiever in en uit halfgeleider nanoschaal te koppelen, licht-emitters, " zei Garnett W. Bryant, leider van de Quantum Processes and Metrology Group in de Atomic Physics Division van het National Institute of Standards and Technology. "Het onderzoek onder leiding van Min Ouyang laat zien dat een nieuwe heteronanostructuur met de halfgeleider rond de metalen nanoantenne dezelfde doelen kan bereiken. Dergelijke structuren zijn heel eenvoudig en veel gemakkelijker te maken dan eerder geprobeerd, veel mogelijkheden voor toepassing openen. Het belangrijkste is, ze hebben aangetoond dat de licht / materie-koppeling kan worden gemanipuleerd om coherente kwantumcontrole van de halfgeleider-nano-eters te bereiken, een belangrijke vereiste voor de verwerking van kwantuminformatie, " zei Bryant, die ook onderzoek doet bij het Joint Quantum Institute, een samenwerking tussen NIST en de Universiteit van Maryland, een van 's werelds toonaangevende centra voor kwantumwetenschappelijk onderzoek.

Ouyang en zijn collega's zijn het erover eens dat hun nieuwe bevindingen mogelijk zijn gemaakt door hun kristal-metaal hybride nanostructuren, die een aantal voordelen bieden ten opzichte van de epitaxiale structuren die voor eerder werk werden gebruikt. Epitaxie is de belangrijkste manier geweest om eenkristalhalfgeleiders en aanverwante apparaten te maken. Het nieuwe onderzoek benadrukt de nieuwe mogelijkheden van deze UM-nanostructuren, gemaakt met een proces dat twee belangrijke beperkingen van epitaxie vermijdt:een limiet op de dikte van de halfgeleiderlaag en een rigide vereiste voor "roosteraanpassing".

De wetenschappers van Maryland merken op dat, naast de verbeterde mogelijkheden van hun hybride nanostructuren, de methode om ze te produceren vereist geen cleanroom-faciliteit en de materialen hoeven niet in een vacuüm te worden gevormd, de manier waarop die gemaakt door conventionele epitaxie doen. "Zo zou het voor bedrijven ook veel eenvoudiger en goedkoper zijn om massaproducten te produceren op basis van onze hybride nanostructuren, ' zei Ouyang.