Enkeltfoton-emitter har løfte om kvanteinformationsbehandling

Los Alamos National Laboratory har produceret det første kendte materiale, der er i stand til at udsende enkeltfoton ved stuetemperatur og ved telekommunikationsbølgelængder. Disse kulstofnanorørs kvantelysemittere kan være vigtige for optisk-baseret kvanteinformationsbehandling og informationssikkerhed, samtidig med at det er af væsentlig interesse for ultrafølsom sensing, metrologi og billeddannelsesbehov og som fotonkilder til grundlæggende fremskridt inden for kvanteoptikstudier. Forskningen blev rapporteret i dag i tidsskriftet Naturfotonik .

"Ved kemisk at modificere nanorørets overflade for kontrollerbart at introducere lysemitterende defekter, vi har udviklet kulstof nanorør som en enkelt fotonkilde, arbejder hen imod implementering af defekttilstande kvanteemittere, der arbejder ved stuetemperatur og demonstrerer deres funktion i teknologisk nyttige bølgelængder, " sagde Stephen Doorn, leder af projektet i Los Alamos og medlem af Center for Integrated Nanotechnologies (CINT). "Ideelt set en enkelt fotonemitter vil give både stuetemperaturdrift og emission ved telekommunikationsbølgelængder, men dette er forblevet et uhåndgribeligt mål. Indtil nu, materialer, der kunne fungere som enkeltfotonemittere i disse bølgelængder, skulle afkøles til flydende heliumtemperaturer, gør dem meget mindre nyttige til ultimative anvendelser eller videnskabelige formål, " han sagde.

Et kritisk gennembrud i CINT nanorør-arbejdet var holdets evne til at tvinge nanorøret til at udsende lys fra et enkelt punkt langs røret, kun på et defekt sted. Nøglen var at begrænse defektniveauet til én pr. rør. Et rør, en defekt, en foton. . . . Ved kun at udsende lys én foton ad gangen, man kan så kontrollere fotonernes kvanteegenskaber til lagring, manipulation og overførsel af information.

CINT-forskerne var i stand til at opnå denne grad af kontrol ved hjælp af diazonium-baseret kemi, en proces, de brugte til at binde et organisk molekyle til nanorørets overflade for at tjene som defekten. Diazoniumreaktionskemien tillod en kontrollerbar introduktion af benzenbaserede defekter med reduceret følsomhed over for naturlige udsving i det omgivende miljø. Vigtigt, alsidigheden af ​​diazonium-kemien tillod også forskerne at få adgang til den iboende afstemning af nanorør-emissionsbølgelængder.

Bølgelængderne (eller farven) af fotoner produceret i de fleste andre tilgange havde været for korte til telekommunikationsapplikationer, hvor fotoner skal manipuleres og transporteres effektivt inden for optiske kredsløb. Holdet fandt ud af, at ved at vælge et nanorør med passende diameter, enkeltfotonemissionen kunne indstilles til det væsentlige telekommunikationsbølgelængdeområde.

De funktionaliserede kulstof nanorør har betydelige udsigter til videre udvikling, Doorn bemærkede, herunder fremskridt inden for funktionaliseringskemi; integration i fotonisk, plasmoniske og metamateriale strukturer til yderligere kontrol af kvantemissionsegenskaber; og implementering i elektrisk drevne enheder og optiske kredsløb til forskellige applikationer.