Le particelle di dimensioni di pochi nanometri sono oggi in prima linea nella ricerca scientifica. Sono disponibili in molte forme diverse:aste, sfere, cubi, vescicole, Vermi a forma di S e persino anelli a forma di ciambella. Ciò che li rende degni di studio scientifico è che, essendo così piccolo, mostrano proprietà quantomeccaniche non possibili con oggetti più grandi.

Ricercatori del Center for Nanoscale Materials (CNM), un U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility situato presso l'Argonne National Laboratory del DOE, hanno contribuito a un recente pubblicato Comunicazioni sulla natura documento che riporta la causa alla base di una proprietà quantistica chiave di nanoparticelle simili a ciambelle chiamate "anelli quantistici semiconduttori". Questa proprietà può trovare applicazione nell'archiviazione di informazioni quantistiche, comunicazione, e informatica nelle tecnologie future.

In questo progetto, i ricercatori del CNM hanno collaborato con i colleghi dell'Università di Chicago, Università Ludwig Maximilian di Monaco di Baviera, Università di Ottawa e Consiglio Nazionale delle Ricerche in Canada.

Il team ha assemblato anelli circolari fatti di seleniuro di cadmio, un semiconduttore che si presta alla crescita di nanoparticelle a forma di ciambella. Questi anelli quantistici sono strutture bidimensionali:materiali cristallini composti da pochi strati di atomi. Il vantaggio dei semiconduttori è che quando i ricercatori li eccitano con un laser, emettono fotoni.

"Se illumini un emettitore di fotoni bidimensionali con un laser, ti aspetti che emettano luce lungo due assi, " disse Xuedan Ma, assistente scienziato presso CNM. "Ma quello che ti aspetti non è necessariamente quello che ottieni. Con nostra sorpresa, questi anelli bidimensionali possono emettere luce lungo un asse".

Il team ha osservato questo effetto rompendo la perfetta simmetria rotazionale della forma a ciambella, facendoli leggermente allungare. "Con questa rottura di simmetria, "dice mamma, "possiamo cambiare la direzione dell'emissione di luce. Possiamo quindi controllare come i fotoni escono dalla ciambella e ottenere un controllo direzionale coerente".

Poiché i fotoni nella luce emettono da questi anelli lungo un'unica direzione, piuttosto che spargersi in tutte le direzioni, i ricercatori possono sintonizzare questa emissione per raccogliere efficacemente singoli fotoni. Con questo controllo, i ricercatori possono integrare le informazioni sulla topologia nei fotoni, che possono quindi essere utilizzati come messaggeri per trasportare informazioni quantistiche. Potrebbe anche essere possibile sfruttare questi fotoni codificati per il calcolo e le reti quantistiche.

"Se possiamo ottenere un controllo ancora maggiore sul processo di fabbricazione, potremmo realizzare nanoparticelle con forme diverse come un trifoglio con più fori o un rettangolo con un foro al centro, " ha osservato Matteo Otten, una Maria Goeppert Mayer Fellow al CNM di Argonne. "Quindi, potremmo essere in grado di codificare più tipi di informazioni quantistiche o più informazioni nelle nanoparticelle".

"Devo aggiungere che la geometria non è l'unico fattore che causa questo effetto quantistico. Conta anche la struttura atomistica del materiale, come spesso accade nei materiali su scala nanometrica, " disse Ma.

Un documento basato sullo studio, "Momenti di dipolo di transizione uniassiale negli anelli quantistici di semiconduttori causati dalla rottura della simmetria rotazionale, " è apparso di recente in Comunicazioni sulla natura . Oltre a Ma e Otten, autori includono Nicolai F. Hartmann, Igor Fedin, Dmitri Talapin, Moritz Cygorek, Pawel Hawrylak, Marek Korkusinski, Stephen Gray e Achim Hartschuh.