Effektiv generering af fotonpar fra modificerede kulstof nanorør

Virkelig sikker kommunikation. Ingen aflytning. Det er løftet om kvantekommunikation. En udfordring for at gøre det til virkelighed er let. Vi har brug for en effektiv måde at skabe lyspakker på, kaldet fotoner. Nu, forskere har identificeret, hvordan modificerede kulstof nanorør udsender fotonpar. Eksperimenterne og teorien viser, at fotonparrene er resultatet af indfangning og rekombination af to excitoner (elektron-hul-par). Beviserne tyder på, at dette er en effektiv proces til at generere fotonpar.

Holdets forskning viser, hvordan man producerer fotoner effektivt ved hjælp af bittesmå rør af kulstof. En sådan produktion kan føre til ultra-sikre måder at videregive beskeder (kvantekommunikation). Tilgangen kunne også ændre lasere, bruges i alt fra forbrugerelektronik til videnskabelige instrumenter. En yderligere appel er, at ændring af kulstofnanorørene involverer en simpel aflejring af tynde film af silicium eller aluminiumoxid. Dette gør rørene kompatible med eksisterende mikroelektroniske teknologier. Det åbner også en vej til at udvikle fotoniske integrerede kredsløb.

Tuning af de elektroniske egenskaber af enkeltvæggede kulstofnanorør (SWCNT'er), en proces kendt som doping, fremstår som et effektivt middel til at forbedre disse nanorørs emissionsegenskaber og introducere nye funktionaliteter. Disse dopingtilstande af SWCNT'er er en ny slags kvantelyskilde, der kan efterligne fangede ioner ved stuetemperatur. Mens de fleste dopanttilstande udsender én foton pr. excitationscyklus og derfor kan fungere som enkeltfotonemittere, nogle dopingtilstande udsender fotoner i par. Der er to måder, hvorpå dette kan ske:fotonparrene kan komme fra to doteringstilstande placeret i laserexcitationspletten eller fra successiv rekombination af to excitoner i en enkelt defekt. Denne seneste forskning fra videnskabsmænd ved Center for Integrated Nanotechnologies og deres samarbejdspartnere ved Los Alamos National Laboratory identificerer sidstnævnte proces som den ansvarlige part og tydeliggør yderligere detaljerne i processen.

Forskerne udførte et tidsstyret andenordens fotonkorrelationseksperiment for at adskille fotoner udsendt fra de hurtige henfald af multi-exciton-tilstande og dem, der udsendes fra det langsomme henfald forbundet med enkelte exciton-tilstande. Eksperimentet viste, at fotonpar-emissionen stammer fra to på hinanden følgende indfangninger og rekombinationer af excitoner ved en solitær iltdotering. Yderligere eksperimentelt bevis og teoretisk analyse viste, at denne type fotonpar-emissionsproces kan ske med en effektivitet så høj som 44 procent af den enkelte foton-emission. Den væsentligste begrænsende faktor for effektiviteten af ​​denne proces er udslettelse af excitoner ved kollision (exciton-exciton-annihilation). Mens multi-exciton emission ikke er ønskelig for generering af enkelt foton, dette arbejde åbner en spændende ny vej mod kulstof nanorør-baserede lasere og indviklede fotongenerering. Samlet set, dette arbejde fremhæver de rige multi-excitoniske processer forbundet med dopingtilstande.