Ny klasse af alsidige, højtydende kvanteprikker klargjort til medicinsk billeddannelse, kvanteberegning

En ny klasse af kvanteprikker leverer en stabil strøm af enkelt, spektralt afstembare infrarøde fotoner under omgivende forhold og ved stuetemperatur, i modsætning til andre enkeltfoton-emittere. Dette gennembrud åbner en række praktiske anvendelser, herunder kvantekommunikation, kvantemetrologi, medicinsk billeddannelse og diagnostik, og hemmelig mærkning.

"Demonstrationen af ​​høj enkelt-foton-renhed i det infrarøde har øjeblikkelig nytte på områder som kvantenøgledistribution til sikker kommunikation, " sagde Victor Klimov, hovedforfatter til et papir offentliggjort i dag i Natur nanoteknologi af Los Alamos National Laboratory-forskere.

Los Alamos-teamet har udviklet en elegant tilgang til at syntetisere de kolloide nanopartikelstrukturer, der er afledt af deres tidligere arbejde med udsender af synligt lys baseret på en kerne af cadmiumselenid indkapslet i en cadmiumsulfidskal. Ved at indsætte et kviksølvsulfidmellemlag ved kerne/skal-grænsefladen, holdet forvandlede kvanteprikkerne til højeffektive emittere af infrarødt lys, der kan indstilles til en bestemt bølgelængde.

"Denne nye syntese giver mulighed for meget nøjagtige, kontrol på atomniveau af tykkelsen af ​​det emitterende kviksølvsulfidmellemlag. Ved at ændre det i trin af et enkelt atomlag, vi kan indstille bølgelængden af ​​det udsendte lys i diskrete kvantiserede spring, og justere den yderligere på en mere kontinuerlig måde ved at justere størrelsen på cadmiumselenidkernen, sagde Vladimir Sayevich, den ledende kemiker på dette projekt.

Langt overlegen i forhold til eksisterende nær-infrarøde kvanteprikker, disse nye strukturer viser "blinkefri" emission på et enkelt prikniveau, næsten perfekt enkelt-foton-renhed ved stuetemperatur (som producerer "kvantelys"), og hurtige emissionsrater. De opfører sig særdeles godt med både optisk og elektrisk excitation.

Enkelte fotoner kan bruges som qubits i kvanteberegning. I en cybersikkerhedsapplikation, enkeltfotoner kan beskytte et computernetværk gennem kvantenøglefordeling, som giver ultimativ sikkerhed gennem "ubrydelige" kvanteprotokoller.

Bio-imaging er en anden vigtig applikation. Emissionsbølgelængden af ​​de nyudviklede kvanteprikker er inden for det nær-infrarøde bio-gennemsigtighedsvindue, hvilket gør dem velegnede til dybvævsbilleddannelse.

Folk kan ikke se infrarødt lys, men mange moderne teknologier er afhængige af det, fra natsynsapparater og fjernmåling til telekommunikation og biomedicinsk billeddannelse. Infrarødt lys er også en stor spiller i nye kvanteteknologier, der er afhængige af dualiteten af ​​lyspartikler, eller fotoner, som også kan opføre sig som bølger. Udnyttelse af denne kvanteegenskab kræver kilder til "kvantelys", der udsender lys i form af individuelle kvanter, eller fotoner.

"Der er også et sejt kemisk element i at opnå enkeltatomslags nøjagtighed ved fremstilling af disse prikker, " sagde Zack Robinson, projektmedlemmet med fokus på kvantepunktspektroskopi. "Tykkelsen af ​​det emitterende kviksølvsulfidmellemlag er identisk på tværs af alle prikker i prøverne. Det er meget unikt, især for et materiale fremstillet kemisk i et bægerglas."

Klimov tilføjede, "Imidlertid, dette er kun det første skridt. For at drage fuld fordel af 'kvantelys' er man nødt til at opnå foton, der ikke kan skelnes, det er, at sikre, at alle udsendte fotoner er kvantemekanisk identiske. Det er en meget svær opgave, som vi vil tage fat på næste gang i vores projekt."