I punti quantici sono "atomi artificiali" allo stato solido costituiti da migliaia di atomi (sfere gialle) incorporati in un semiconduttore (sfere blu). Nonostante questa complessità, le proprietà di emissione dei fotoni dei punti quantici erano finora ritenute simili agli atomi tradizionali, dove è sufficiente una descrizione dell'emettitore puntiforme. A causa delle loro dimensioni mesoscopiche, però, si scopre che la descrizione dell'emettitore puntiforme si scompone confrontando l'emissione di fotoni dai punti quantici con orientamenti opposti rispetto a uno specchio metallico.
Ricercatori del Quantum Photonics Group presso DTU Fotonik in collaborazione con il Niels Bohr Institute, L'Università di Copenhagen sorprende il mondo scientifico con la scoperta che l'emissione di luce da emettitori di fotoni a stato solido, i cosiddetti punti quantici, è fondamentalmente diverso da quanto si credeva finora. La nuova intuizione potrebbe trovare importanti applicazioni come un modo per migliorare l'efficienza dei dispositivi di informazione quantistica. I loro risultati sono pubblicati il 19 dicembre 2010 in Fisica della natura .
Oggi è possibile fabbricare e personalizzare sorgenti luminose altamente efficienti che emettono un singolo fotone alla volta, che costituisce l'unità fondamentale della luce. Tali emettitori sono indicati come punti quantici e sono costituiti da migliaia di atomi. Nonostante le aspettative riflesse in questa terminologia, i punti quantici non possono essere descritti come sorgenti puntiformi di luce, il che porta alla sorprendente conclusione:i punti quantici non sono punti!
Questa nuova intuizione è stata realizzata registrando sperimentalmente l'emissione di fotoni da punti quantici posizionati vicino a uno specchio metallico. Le sorgenti luminose puntiformi hanno le stesse proprietà indipendentemente dal fatto che siano capovolte o meno, e questo doveva essere il caso anche per i punti quantici. Però, questa simmetria fondamentale è risultata violata negli esperimenti al DTU dove è stata osservata una dipendenza molto pronunciata dell'emissione di fotoni dall'orientamento dei punti quantici.
I risultati sperimentali sono in eccellente accordo con una nuova teoria dell'interazione luce-materia sviluppata dai ricercatori DTU in collaborazione con Anders S. Sørensen del Niels Bohr Institute. La teoria tiene conto dell'estensione spaziale dei punti quantici.
Alla superficie dello specchio di metallo, esistono modi di superficie ottica altamente confinati; i cosiddetti plasmoni. La plasmonica è un campo di ricerca molto attivo e promettente, e il forte confinamento dei fotoni, disponibile in plasmonica, possono avere applicazioni per la scienza dell'informazione quantistica o la raccolta di energia solare. Il forte confinamento dei plasmoni implica anche che l'emissione di fotoni dai punti quantici può essere fortemente alterata, e che i punti quantici possono eccitare plasmoni con probabilità molto grandi. Il presente lavoro dimostra che l'eccitazione dei plasmoni può essere ancora più efficiente di quanto si pensasse in precedenza. Quindi il fatto che i punti quantici siano estesi su aree molto più grandi delle dimensioni atomiche implica che possono interagire in modo più efficiente con i plasmoni.
Il lavoro potrebbe aprire la strada a nuovi dispositivi nanofotonici che sfruttano l'estensione spaziale dei punti quantici come nuova risorsa. Il nuovo effetto dovrebbe essere importante anche in altre aree di ricerca oltre alla plasmonica, compresi i cristalli fotonici, elettrodinamica quantistica della cavità, e raccolta leggera.
