Forskere flytter kvanteoptiske netværk et skridt tættere på virkeligheden

Forskere har flyttet kvanteoptiske netværk et skridt tættere på virkeligheden. Evnen til præcist at kontrollere vekselvirkningerne mellem lys og stof på nanoskala kunne hjælpe et sådant netværk til at transmittere større mængder data hurtigere og mere sikkert end et elektrisk netværk.

Et team af forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, University of Chicago og Northwestern University har med succes overvundet de betydelige udfordringer med at måle, hvordan nanoblodplader, som består af todimensionelle lag af cadmiumselenid, interagere med lys i tre dimensioner. Fremskridt på dette område kan forbedre driften af ​​kvanteoptiske netværk.

"For at integrere nanoplateter i, sige, fotoniske enheder, vi skal forstå, hvordan de interagerer med lys, eller hvordan de udsender lys, " bemærkede Xuedan Ma, nanoforsker ved Center for Nanoscale Materials (CNM), en DOE Office of Science User Facility i Argonne. Ma og seks medforfattere offentliggjorde deres resultater i Nano bogstaver i et papir med titlen "Anisotropisk fotoluminescens fra isotropiske optiske overgangsdipoler i halvledernanoplader."

"Projektet retter sig i sidste ende mod de unikke optiske egenskaber ved kvantematerialer og det faktum, at de udsender enkeltfotoner, " sagde Gary Wiederrecht, en medforfatter, der også leder CNM's nanofotoniske og biofunktionelle strukturer gruppe. "Du skal være i stand til at integrere kvanteemitteren med de optiske netværk."

Enkeltfotonkilder som disse er nødvendige til applikationer i langdistance kvantekommunikation og informationsbehandling. Disse kilder, som ville tjene som signalbærere i kvanteoptiske netværk, udsender lys som enkelte fotoner (lyspartikler). Enkelte fotoner er ideelle til mange kvanteinformationsvidenskabelige applikationer, fordi de rejser med lyshastighed og mister lidt momentum over lange afstande.

Nanoplatelet danner subatomære partikelignende enheder kaldet excitoner, når de absorberer lys. Nanoplatelets lodrette dimension er, hvor excitonerne undergår kvanteindeslutning, et fænomen, der bestemmer deres energiniveauer og pakker elektroner i diskrete energiniveauer.

Nogle af nanopladerne til denne forskning, som har bemærkelsesværdig ensartet tykkelse, blev syntetiseret i kemiprofessor Dmitri Talapins laboratorium ved University of Chicago. Talapin er en anden medforfatter af papiret og har en fælles aftale med Argonne.

"De har præcis atomstyring af nanoplatelet tykkelse, " sagde Ma om Talapins forskningsgruppe.

Nanoblodpladerne er cirka 1,2 nanometer tykke (spænder over fire lag af atomer) og mellem 10 og 40 nanometer brede. Et stykke papir ville være tykkere end en stak med mere end 40, 000 nanoblodplader. Dette gør det sværere at måle materialets interaktioner med lys i tre dimensioner.

Ma og hendes kolleger var i stand til at narre det todimensionelle nanoplademateriale til at afsløre, hvordan de interagerer med lys i tre dimensioner via de specielle prøveforberedelses- og analysefunktioner, der er tilgængelige på CNM.

Overgangsdipolmomentet er en vigtig tredimensionel parameter, der fungerer på halvledere og organiske molekyler. "Det definerer, i bund og grund, hvordan molekylet eller halvlederen interagerer med eksternt lys, " sagde mor.

Men den lodrette komponent af overgangsdipolen er svær at måle i et materiale så fladt som de halvledende nanoplader. Forskerne løste denne vanskelighed ved at bruge tørætsningsværktøjerne i CNM's renrum til nanofabrikation til at gøre de flade glasglas, hvorpå nanopladerne er placeret til nærmere undersøgelse via laserscanning og mikroskopi, lidt ru.

"Ruheden er ikke så stor, at de forvrænger en laserstråle, men nok til at introducere tilfældige fordelinger af nanopladerne, Ma forklarede. De tilfældige orienteringer af nanopladerne gjorde det muligt for forskerne at vurdere materialets tredimensionelle dipolegenskaber ved hjælp af specielle optiske metoder for at skabe en doughnut-formet laserstråle i et unikt optisk mikroskop på CNM.

Holdets næste skridt er at integrere nanopladematerialerne med fotoniske enheder til transmission og behandling af kvanteinformation. "Vi går allerede i denne retning, " sagde mor.