Il Los Alamos National Laboratory ha prodotto il primo materiale noto in grado di emettere un singolo fotone a temperatura ambiente e alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni. Questi emettitori di luce quantistica con nanotubi di carbonio possono essere importanti per l'elaborazione delle informazioni quantistiche a base ottica e la sicurezza delle informazioni, pur essendo di notevole interesse anche per il rilevamento ultrasensibile, esigenze di metrologia e imaging e come sorgenti di fotoni per progressi fondamentali negli studi sull'ottica quantistica. La ricerca è stata riportata oggi sulla rivista Fotonica della natura .

"Modificando chimicamente la superficie del nanotubo per introdurre in modo controllabile difetti di emissione di luce, abbiamo sviluppato nanotubi di carbonio come una singola sorgente di fotoni, lavorare per implementare emettitori quantistici in stato di difetto che operano a temperatura ambiente e dimostrare la loro funzione in lunghezze d'onda tecnologicamente utili, " ha detto Stephen Doorn, leader del progetto a Los Alamos e membro del Center for Integrated Nanotechnologies (CINT). "Idealmente, un singolo emettitore di fotoni fornirà sia il funzionamento a temperatura ambiente che l'emissione alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni, ma questo è rimasto un obiettivo sfuggente. Fino ad ora, i materiali che potevano agire come emettitori di singoli fotoni in queste lunghezze d'onda dovevano essere raffreddati a temperature dell'elio liquido, rendendoli molto meno utili per applicazioni finali o scopi scientifici, " Egli ha detto.

Una svolta fondamentale nel lavoro sui nanotubi CINT è stata la capacità del team di forzare il nanotubo a emettere luce da un singolo punto lungo il tubo, solo in un sito difettoso. La chiave era limitare i livelli di difetto a uno per provetta. un tubo, un difetto, un fotone. . . . Emettendo luce un solo fotone alla volta, si può quindi controllare le proprietà quantistiche dei fotoni per l'archiviazione, manipolazione e trasmissione di informazioni.

I ricercatori CINT sono stati in grado di ottenere questo grado di controllo utilizzando la chimica a base di diazonio, un processo che hanno usato per legare una molecola organica alla superficie del nanotubo per fungere da difetto. La chimica di reazione del diazonio ha consentito un'introduzione controllabile di difetti a base di benzene con ridotta sensibilità alle fluttuazioni naturali nell'ambiente circostante. È importante sottolineare che la versatilità della chimica del diazonio ha inoltre consentito ai ricercatori di accedere alla sintonizzabilità intrinseca delle lunghezze d'onda di emissione dei nanotubi.

Le lunghezze d'onda (o colore) dei fotoni prodotti nella maggior parte degli altri approcci erano state troppo brevi per le applicazioni delle telecomunicazioni, dove i fotoni devono essere manipolati e trasportati in modo efficiente all'interno di circuiti ottici. Il team ha scoperto che scegliendo un nanotubo di diametro appropriato, l'emissione del singolo fotone potrebbe essere sintonizzata sulla regione di lunghezza d'onda essenziale delle telecomunicazioni.

I nanotubi di carbonio funzionalizzati hanno notevoli prospettive di ulteriore sviluppo, Doorn ha notato, compresi i progressi nella chimica di funzionalizzazione; integrazione in fotonica, strutture plasmoniche e metamateriali per un ulteriore controllo delle proprietà di emissione quantistica; e implementazione in dispositivi azionati elettricamente e circuiti ottici per diverse applicazioni.