(PhysOrg.com) -- Utilizzando una nanostruttura ibrida unica, I ricercatori dell'Università del Maryland hanno mostrato un nuovo tipo di interazione luce-materia e hanno anche dimostrato il primo controllo quantistico completo dello spin dei qubit all'interno di nanostrutture colloidali molto piccole (pochi nanometri), facendo così un passo avanti fondamentale negli sforzi per creare un computer quantistico.

Pubblicato nel numero del 1 luglio di Natura , la loro ricerca si basa sul lavoro dello stesso gruppo di ricerca del Maryland pubblicato a marzo sulla rivista Scienza (3-26-10). Secondo gli autori e gli esperti esterni, le nuove scoperte fanno avanzare ulteriormente la promessa che queste nuove nanostrutture mantengono per l'informatica quantistica e per nuovi, più efficiente, tecnologie di generazione di energia (come le celle fotovoltaiche), così come per altre tecnologie basate su interazioni luce-materia come i biomarcatori.

"La vera svolta è che utilizziamo una nuova tecnologia dalla scienza dei materiali per "far luce" sulle interazioni luce-materia e sulla scienza quantistica correlata in modi che riteniamo avranno importanti applicazioni in molte aree, in particolare la conversione e l'immagazzinamento dell'energia e il calcolo quantistico, " ha detto il ricercatore capo Min Ouyang, un assistente professore nel dipartimento di fisica e nel Maryland NanoCenter dell'università. "Infatti, il nostro team sta già applicando la nostra nuova comprensione delle interazioni luce-materia su scala nanometrica e l'avanzamento del controllo preciso delle nanostrutture allo sviluppo di un nuovo tipo di cella fotovoltaica che ci aspettiamo sia significativamente più efficiente nel convertire la luce in elettricità rispetto alle attuali celle".

Ouyang e gli altri membri del team dell'Università del Maryland, il ricercatore Jiatao Zhang, e gli studenti Kwan Lee e Yun Tang -- hanno creato un processo in attesa di brevetto che utilizza la termodinamica chimica per produrre, in soluzione, un'ampia gamma di diverse combinazioni di materiali, ciascuno con un guscio di semiconduttore monocristallino strutturalmente perfetto attorno a un nucleo metallico. Nella ricerca pubblicata su Nature di questa settimana, i ricercatori hanno utilizzato nanostrutture ibride metallo/semiconduttore sviluppate attraverso questo processo per dimostrare sperimentalmente "l'accoppiamento risonante sintonizzabile" tra un plasmone (dal nucleo metallico) e un eccitone (dal guscio semiconduttore), con un conseguente miglioramento dell'effetto ottico Stark. Questo effetto è stato scoperto circa 60 anni fa in studi sull'interazione tra luce e atomi che hanno mostrato che la luce può essere applicata per modificare gli stati quantistici atomici.

"Le eteronanostrutture metallo-semiconduttore sono state studiate intensamente negli ultimi anni con i componenti metallici utilizzati come antenne su nanoscala per accoppiare la luce in modo molto più efficace dentro e fuori dalla nanoscala dei semiconduttori, emettitori di luce, " ha detto Garnett W. Bryant, leader del Quantum Processes and Metrology Group nella Divisione di Fisica Atomica del National Institute of Standards and Technology. "La ricerca condotta da Min Ouyang mostra che una nuova eteronanostruttura con il semiconduttore che circonda la nanoantenna metallica può raggiungere gli stessi obiettivi. Tali strutture sono molto semplici e molto più facili da realizzare di quanto tentato in precedenza, aprendo notevolmente possibilità di applicazione. Più importante, hanno dimostrato che l'accoppiamento luce/materia può essere manipolato per ottenere un controllo quantistico coerente dei nanoemettitori a semiconduttore, un requisito chiave per l'elaborazione delle informazioni quantistiche, " ha detto Bryant, che è anche ricercatore presso il Joint Quantum Institute, una partnership tra il NIST e l'Università del Maryland, uno dei principali centri mondiali di ricerca sulla scienza quantistica.

Ouyang e i suoi colleghi concordano sul fatto che le loro nuove scoperte sono state rese possibili dalle loro nanostrutture ibride cristallo-metallo, che offrono una serie di vantaggi rispetto alle strutture epitassiali utilizzate per lavori precedenti. L'epitassia è stato il modo principale per creare semiconduttori a cristallo singolo e dispositivi correlati. La nuova ricerca mette in luce le nuove capacità di queste nanostrutture di messaggistica unificata, realizzato con un processo che evita due vincoli chiave dell'epitassia:un limite allo spessore dello strato di semiconduttore di deposizione e un requisito rigido per il "reticolo corrispondente".

Gli scienziati del Maryland notano che, oltre alle capacità avanzate delle loro nanostrutture ibride, il metodo per produrli non richiede una camera bianca e i materiali non devono essere formati nel vuoto, come fanno quelli prodotti dall'epitassia convenzionale. "Così sarebbe anche molto più semplice ed economico per le aziende produrre in serie prodotti basati sulle nostre nanostrutture ibride, "Ha detto Ouyang.