Comunicazioni davvero sicure. Nessuna intercettazione. Questa è la promessa della comunicazione quantistica. Una sfida per renderlo realtà è la luce. Abbiamo bisogno di un modo efficiente per creare pacchetti di luce, chiamati fotoni. Ora, gli scienziati hanno identificato come i nanotubi di carbonio modificati emettono coppie di fotoni. Gli esperimenti e la teoria mostrano che le coppie di fotoni sono il risultato della cattura e ricombinazione di due eccitoni (coppie elettrone-lacuna). L'evidenza suggerisce che questo è un processo efficiente per generare coppie di fotoni.

La ricerca del team mostra come produrre fotoni in modo efficiente utilizzando minuscoli tubi di carbonio. Tale produzione potrebbe portare a modi ultra sicuri per trasmettere messaggi (comunicazioni quantistiche). L'approccio potrebbe anche cambiare i laser, utilizzato in tutto, dall'elettronica di consumo agli strumenti scientifici. Di ulteriore fascino è che la modifica dei nanotubi di carbonio comporta una semplice deposizione di film sottili di silicio o ossido di alluminio. Ciò rende i tubi compatibili con le tecnologie microelettroniche esistenti. Apre anche un percorso per sviluppare circuiti integrati fotonici.

Ottimizzazione delle proprietà elettroniche dei nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT), un processo noto come doping, sta emergendo come un mezzo efficace per migliorare le proprietà di emissione di questi nanotubi e introdurre nuove funzionalità. Questi stati droganti di SWCNT sono un nuovo tipo di sorgente di luce quantistica che può imitare gli ioni intrappolati a temperatura ambiente. Mentre la maggior parte degli stati droganti emettono un fotone per ciclo di eccitazione e possono quindi servire come emettitori di singoli fotoni, alcuni stati droganti emettono fotoni a coppie. Ci sono due modi in cui ciò potrebbe accadere:le coppie di fotoni potrebbero provenire da due stati droganti localizzati all'interno dello spot di eccitazione del laser o dalla successiva ricombinazione di due eccitoni in un singolo difetto. Quest'ultima ricerca degli scienziati del Center for Integrated Nanotechnologies e dei loro collaboratori del Los Alamos National Laboratory identifica quest'ultimo processo come parte responsabile e chiarisce ulteriormente i dettagli del processo.

I ricercatori hanno eseguito un esperimento di correlazione di fotoni di secondo ordine con controllo temporale per separare i fotoni emessi dai decadimenti rapidi degli stati multi-eccitoni e quelli emessi dal decadimento lento associato agli stati a eccitoni singoli. L'esperimento ha mostrato che l'emissione della coppia di fotoni ha origine da due successive catture e ricombinazioni di eccitoni in uno stato di drogaggio di ossigeno solitario. Ulteriori prove sperimentali e analisi teoriche hanno mostrato che questo tipo di processo di emissione di coppie di fotoni può avvenire con un'efficienza fino al 44% dell'emissione di singoli fotoni. Il principale fattore limitante per l'efficienza di questo processo è l'annichilazione degli eccitoni in caso di collisione (annichilazione eccitone-eccitone). Mentre l'emissione multi-eccitone non è desiderabile per la generazione di singoli fotoni, questo lavoro apre un nuovo entusiasmante percorso verso i laser basati su nanotubi di carbonio e la generazione di fotoni entangled. Globale, questo lavoro mette in evidenza i ricchi processi multi-eccitonici associati agli stati droganti.