Formning af nanopartikler til forbedret kvanteinformationsteknologi

Partikler, der kun er nanometer store, er i spidsen for videnskabelig forskning i dag. De findes i mange forskellige former:stænger, kugler, terninger, vesikler, S-formede orme og endda doughnut-lignende ringe. Det, der gør dem værdige til videnskabelig undersøgelse, er, at at være så lille, de udviser kvantemekaniske egenskaber, der ikke er mulige med større objekter.

Forskere ved Center for Nanoskala Materialer (CNM), et amerikansk ministerium for energi (DOE) Office of Science User Facility placeret på DOE's Argonne National Laboratory, har bidraget til en nyligt offentliggjort Naturkommunikation papir, der rapporterer årsagen bag en vigtig kvanteegenskab for donutlignende nanopartikler kaldet "halvlederkvantaringe". Denne ejendom kan finde anvendelse i lagring af kvanteoplysninger, meddelelse, og computing i fremtidige teknologier.

I dette projekt, CNM -forskerne samarbejdede med kolleger fra University of Chicago, Ludwig Maximilian Universitet i München, University of Ottawa og National Research Council i Canada.

Teamet samlede cirkulære ringe lavet af cadmiumselenid, en halvleder, der egner sig til at dyrke donutformede nanopartikler. Disse kvanteringe er todimensionelle strukturer-krystallinske materialer sammensat af et par lag atomer. Fordelen ved halvledere er, at når forskere ophidser dem med en laser, de udsender fotoner.

"Hvis du belyser en todimensionel fotonemitter med en laser, du forventer, at de udsender lys langs to akser, "sagde Xuedan Ma, assisterende videnskabsmand ved CNM. "Men hvad du forventer er ikke nødvendigvis, hvad du får. Til vores overraskelse, disse todimensionale ringe kan udsende lys langs en akse. "

Holdet observerede denne effekt, da de brød den perfekte rotationssymmetri af doughnutformen, får dem til at være lidt aflange. "Ved denne symmetri bryder, "siger mor, "vi kan ændre retningen for lysemission. Vi kan dermed kontrollere, hvordan fotoner kommer ud af donuten og opnår sammenhængende retningskontrol."

Fordi fotoner i lyset udsender fra disse ringe i en enkelt retning, frem for at sprede sig i alle retninger, forskere kan indstille denne emission for effektivt at indsamle enkeltfotoner. Med denne kontrol, forskere kan integrere topologiinformation i fotoner, som derefter kan bruges som budbringere til at transportere kvanteinformation. Det kan endda være muligt at udnytte disse kodede fotoner til kvantenetværk og beregning.

"Hvis vi kan få endnu større kontrol over fremstillingsprocessen, vi kunne lave nanopartikler med forskellige former, såsom en kløver med flere huller eller et rektangel med et hul i midten, "bemærkede Matthew Otten, en Maria Goeppert Mayer -stipendiat ved Argonnes CNM. "Derefter, vi kan muligvis kode flere typer kvanteinformation eller flere oplysninger i nanopartiklerne. "

"Jeg skal tilføje, at geometri ikke er den eneste faktor, der forårsager denne kvanteeffekt. Materialets atomistiske struktur tæller også, som det ofte er tilfældet i nanoskala materialer, "sagde Ma.

Et papir baseret på undersøgelsen, "Enaksial overgangsdipolmomenter i halvlederkvantumringe forårsaget af brudt rotationssymmetri, "dukkede op for nylig i Naturkommunikation . Udover Ma og Otten, forfattere omfatter Nicolai F. Hartmann, Igor Fedin, Dmitri Talapin, Moritz Cygorek, Pawel Hawrylak, Marek Korkusinski, Stephen Gray og Achim Hartschuh.