Foldede 2D-materialer har egenskaber, der er nyttige til kvantekommunikation

Grafen er et materiale lavet af kulstofatomer et lag tykt, arrangeret i en honeycomb struktur. Det er blevet brugt til at gøre materialer stærkere, skabe ultrahøjfrekvente komponenter til kommunikation, booste batteriets ydeevne og endda bruges til at lave COVID-19-tests. Det er det arketypiske todimensionelle (2D) materiale - men der er meget mere til 2D-materialer end grafen.

Siden grafen først blev isoleret i 2004, forskning er udvidet til at skabe andre, ikke-kulstof 2D materialer. Nu er der mange tiere af disse, og de hyldes for at gøre en indflydelse, hvor grafen er mindre egnet, såsom i nye transistorer og næste generation af optoelektroniske enheder, som genererer, registrere og kontrollere lys.

Vores nylige undersøgelse fokuserede på en ny form for 2D-materialet wolframdisulfid (WS2), som er både 2D og 3D. WS2 er en halvleder - det samme som silicium, som findes i næsten alle elektroniske enheder. Imidlertid, i modsætning til silicium, WS2 kan eksistere i en stabil 2D-form. Vi arrangerede WS2-materialet på en ny måde for at skabe et 3D-arrangement af 2D-ark, som vi kalder en nanomesh.

WS2 nanomesh fordobler frekvensen og halverer bølgelængden af ​​laserlys - og ændrer farven, mens den gør det - med stor effektivitet. Dette betyder, at det kan være nyttigt i komponenter til kvantekommunikation ved hjælp af lys, hvor forsøg på at "aflytte" beskeder altid kan opdages. Lys er vigtigt i kvantekommunikation, fordi partikler af lys, kaldet fotoner, kan bruges til at transportere information. Når to fotoner oplever noget, der kaldes kvantesammenfiltring, alt, hvad der sker med den ene af dem, kan umiddelbart observeres i den anden, uanset hvor langt fra hinanden de er.

Kvantekommunikation har potentialet til at levere virkelig sikker kommunikation over hele verden. Ved at bruge den bizarre egenskab ved sammenfiltring, det er muligt at konstruere et system, så når et signal opsnappes, afsenderen ved det straks.

Mange af de hidtidige forsøg på at skabe kvantekommunikation har brugt laserlys. Men for at gøre dette har vi brug for en effektiv måde at styre lyset på. Dette kunne potentielt gøres med 2D-materialer.

Todimensionel indeslutning

I 2D materialer, elektroner kan bevæge sig i to dimensioner, men deres bevægelse i den tredje dimension er begrænset. Denne indeslutning giver 2D-materialer interessante egenskaber, der betyder, at de lover meget som ultratynde enheder til IT, kommunikation, sansning, energi, billeddannelse og kvanteberegning. For mange af disse applikationer, 2D materialer, som kun er et atom tykt, ligge fladt på en understøttende overflade.

Desværre, imidlertid, styrken af ​​disse materialer – at de er ekstremt tynde – er også deres største svaghed. Det betyder, at når de er oplyst, synligt lys kan kun interagere med dem over en lille tykkelse, og den resulterende effekt er svag. For at overvinde dette, forskere som mig begynder at lede efter nye måder at pakke 2D-materialerne ind i komplekse 3D-strukturer.

Nanomesh

Min ph.d. studerende og jeg skabte et 3D-netværk med væv af tætpakket, tilfældigt fordelte stakke, indeholdende roterede og sammensmeltede 2D-ark kaldet en nanomesh. Dens unikke egenskaber er resultatet af den specifikke synteseproces, vi udviklede. Vi startede med at dyrke endimensionelle nanorør (rullede plader) af WS2, som et stillads. Disse er naturligt fyldt med et materiale, hvorfra WS2-plader kunne vokse ved nanorørspidserne og på deres sider, roterede oven på hinanden og satte ind som en fan. Disse ark smeltede derefter sammen for at skabe større 2D-ark, der krydsede hinanden i 3D for at skabe nanomesh.

Inde i en halvleder er der energibånd, adskilt af et energigab. Kun lys med energi større end energigabet kan interagere med materialet på en nyttig måde. Hvis nye energiniveauer introduceres inden for dette energigab, fordoblingen af ​​frekvensen af ​​lyset, der passerer gennem materialet, er meget mere effektiv og kan finde sted over et større bølgelængdeområde. Det er præcis, hvad vores nanomesh opnår, det ændrer energilandskabet – energibåndene, energigab og energiniveauer inde i materialets mellemrum.

Målinger fra mine kolleger i fotonikgruppen viste, at nanomesh-materialet faktisk effektivt konverterer en laserfarve til en anden over en bred palet af farver. Sammenlignet med fladtliggende WS2-lag, nanomesh er yderst effektiv og reagerer på en lang række lysbølgelængder, samtidig med at den er holdbar og kan dyrkes over store arealer.

Vores undersøgelse er et bevis på, at samling af 2D-materialer til et 3D-arrangement ikke kun resulterer i tykkere 2D-materialer, som lyset interagerer stærkere med - det producerer materialer med helt nye egenskaber.

Den nanomesh, vi lavede, er teknologisk enkel at producere i stor skala, og tilbyder interaktion med lys, der kan indstilles. Materialet kunne udvikles yderligere, for eksempel ved at inkludere små metalliske nanopartikler eller ved at afsætte et andet materiale. Sådanne hybrider ville tilbyde yderligere måder at ændre laserlys, der passerer gennem dem.

Vores næste mål er at inkorporere nanomesh i enheder, der transmitterer og modificerer lys, og som kan integreres med traditionel mikroelektronik. Dette er en vej til udvikling af praktisk kvanteoptisk kommunikation.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.