Wetenschappers hebben kwantumoptische netwerken een stap dichter bij de realiteit gebracht. Het vermogen om de interacties van licht en materie op nanoschaal nauwkeurig te regelen, zou een dergelijk netwerk kunnen helpen grotere hoeveelheden gegevens sneller en veiliger te verzenden dan een elektrisch netwerk.

Een team van onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), de University of Chicago en Northwestern University hebben met succes de grote uitdagingen overwonnen om te meten hoe nanobloedplaatjes, die bestaan ​​uit tweedimensionale lagen cadmiumselenide, interactie met licht in drie dimensies. Vooruitgang op dit gebied zou de werking van kwantumoptische netwerken kunnen verbeteren.

"Om nanobloedplaatjes te integreren in, zeggen, fotonische apparaten, we moeten begrijpen hoe ze omgaan met licht of hoe ze licht uitstralen, " merkte Xuedan Ma op, nanowetenschapper bij het Center for Nanoscale Materials (CNM), een DOE Office of Science User Facility in Argonne. Ma en zes co-auteurs publiceerden hun bevindingen in Nano-letters in een paper met de titel "Anisotrope fotoluminescentie van isotrope optische overgangsdipolen in halfgeleider-nanoplaatjes."

"Het project richt zich uiteindelijk op de unieke optische eigenschappen van kwantummaterialen en het feit dat ze enkele fotonen uitzenden, " zei Gary Wiederrecht, een co-auteur die ook de groep nanofotonica en biofunctionele structuren van de CNM leidt. "Je moet de kwantumzender kunnen integreren met de optische netwerken."

Single-photon bronnen zoals deze zijn nodig voor toepassingen in langeafstands kwantumcommunicatie en informatieverwerking. Deze bronnen, die zouden dienen als signaaldragers in kwantum optische netwerken, licht uitstralen als enkele fotonen (lichtdeeltjes). Enkele fotonen zijn ideaal voor veel toepassingen van kwantuminformatiewetenschap, omdat ze met lichtsnelheid reizen en weinig momentum verliezen over lange afstanden.

De nanobloedplaatjes vormen subatomaire deeltjesachtige entiteiten die excitonen worden genoemd wanneer ze licht absorberen. De verticale dimensie van de nanobloedplaatjes is waar de excitonen kwantumopsluiting ondergaan, een fenomeen dat hun energieniveaus bepaalt en elektronen verdeelt in discrete energieniveaus.

Enkele van de nanobloedplaatjes voor dit onderzoek, die een opmerkelijk uniforme dikte hebben, werden gesynthetiseerd in het laboratorium van de scheikundeprofessor Dmitri Talapin van de Universiteit van Chicago. Talapin is een andere co-auteur van het artikel en heeft een gezamenlijke afspraak met Argonne.

"Ze hebben nauwkeurige controle op atomair niveau van de dikte van nanobloedplaatjes, ' zei Ma over de onderzoeksgroep van Talapin.

De nanobloedplaatjes zijn ongeveer 1,2 nanometer dik (verspreid over vier lagen atomen) en tussen de 10 en 40 nanometer breed. Een stuk papier zou dikker zijn dan een stapel van meer dan 40, 000 nanobloedplaatjes. Dit maakt het moeilijker om de interacties van het materiaal met licht in drie dimensies te meten.

Ma en haar collega's waren in staat om het tweedimensionale nanobloedplaatjesmateriaal te misleiden om te onthullen hoe ze omgaan met licht in drie dimensies via de speciale monstervoorbereidings- en analysemogelijkheden die beschikbaar zijn bij de CNM.

Het overgangsdipoolmoment is een belangrijke driedimensionale parameter die werkt op halfgeleiders en organische moleculen. "Het definieert, in principe, hoe het molecuul of de halfgeleider interageert met extern licht, ' zei mama.

Maar de verticale component van de overgangsdipool is moeilijk te meten in een materiaal dat zo plat is als de halfgeleidende nanoplaatjes. De onderzoekers losten dat probleem op door de droog-etsgereedschappen van de nanofabricage-cleanroom van de CNM te gebruiken om de platte glasplaatjes waarop de nanoplaatjes worden geplaatst voor nauwkeurig onderzoek via laserscanning en microscopie enigszins op te ruwen.

"De ruwheid is niet zo groot dat ze een laserstraal vervormen, maar genoeg om willekeurige verdelingen van de nanobloedplaatjes te introduceren, Ma legde uit. Door de willekeurige oriëntaties van de nanoplaatjes konden de onderzoekers de driedimensionale dipooleigenschappen van het materiaal beoordelen met speciale optische methoden om een ​​donutvormige laserstraal te creëren binnen een unieke optische microscoop bij de CNM.

De volgende stap van het team is om de nanobloedplaatjesmaterialen te integreren met fotonische apparaten voor het verzenden en verwerken van kwantuminformatie. "We gaan al in deze richting, ' zei mama.