Le lampadine domestiche emettono un torrente caotico di energia, mentre trilioni di minuscole particelle di luce, chiamate fotoni, si riflettono e si disperdono in tutte le direzioni. Sorgenti di luce quantistica, d'altra parte, sono come pistole luminose che sparano singoli fotoni uno per uno, ogni volta che vengono attivati, consentendo loro di trasportare informazioni digitali a prova di hacker, una tecnologia attraente per settori come la finanza e la difesa.

Ora, i ricercatori dello Stevens Institute of Technology e della Columbia University hanno sviluppato un metodo scalabile per creare un gran numero di queste sorgenti di luce quantistica su un chip con una precisione senza precedenti che non solo potrebbe aprire la strada allo sviluppo di sistemi crittografici infrangibili, ma anche computer quantistici in grado di eseguire calcoli complessi in pochi secondi che richiederebbero anni per completare i normali computer.

"La ricerca di sorgenti di luce quantistica scalabili va avanti da 20 anni, e più recentemente è diventata una priorità nazionale, "dice Stefan Strauf, che ha guidato il lavoro ed è anche direttore del Nanophotonic Lab di Stevens. "Questa è la prima volta che qualcuno ha raggiunto un livello di controllo spaziale combinato con un'elevata efficienza su un chip scalabile, tutto ciò che è necessario per realizzare tecnologie quantistiche".

Il lavoro, da segnalare nel numero anticipato online del 29 ottobre di Nanotecnologia della natura , descrive un nuovo metodo per creare sorgenti di luce quantistica su richiesta in qualsiasi posizione desiderata su un chip, stendendo una pellicola sottile come un atomo di materiale semiconduttore su nanocubi d'oro. Come un involucro teso, il film si estende sugli angoli dei nanocubi, imprimendo posizioni definite in cui si formano emettitori di singoli fotoni.

La ricerca passata ha testato metodi per produrre emettitori quantistici in luoghi definiti, ma questi progetti non erano scalabili o efficienti nell'innescare singoli fotoni abbastanza frequentemente da essere praticamente utili. Strauf e il suo team hanno cambiato tutto ciò diventando i primi a combinare il controllo spaziale e la scalabilità con la capacità di emettere in modo efficiente fotoni su richiesta.

Per ottenere queste capacità, Il team di Strauf ha progettato un approccio unico in cui il nanocubo d'oro ha un duplice scopo:imprime l'emettitore quantistico sul chip e funge da antenna attorno ad esso. Creando gli emettitori quantistici tra il nanocubo d'oro e lo specchio, Strauf ha lasciato uno spazio ristretto di cinque nanometri:20, 000 volte inferiore alla larghezza di un foglio di carta.

"Questo minuscolo spazio tra lo specchio e il nanocubo crea un'antenna ottica che convoglia tutti i fotoni in quella distanza di cinque nanometri, concentrando così tutta l'energia", afferma Strauf. "Essenzialmente, fornisce la spinta necessaria affinché i singoli fotoni vengano emessi rapidamente dalla posizione definita e nella direzione desiderata."

Per migliorare ulteriormente l'efficienza delle sorgenti luminose quantistiche, Strauf ha collaborato con Katayun Barmak e James Hone, della Columbia University, che ha sviluppato una tecnica per far crescere cristalli semiconduttori che sono quasi privi di difetti. Usando questi cristalli unici, Lo studente laureato di Stevens, Yue Luo, ha costruito file di emettitori quantistici su un chip allungando il materiale sottile come un atomo sui nanocubi. Le nanoantenne si formano attaccando lo specchio, sul lato inferiore del nanocubo.

Il risultato:un'emissione record di 42 milioni di singoli fotoni al secondo; in altre parole, ogni secondo trigger ha creato un fotone su richiesta, rispetto a solo uno su 100 trigger in precedenza.

Sebbene minuscolo, gli emettitori sono notevolmente resistenti. "Sono sorprendentemente stabili, " Dice Strauf. "Possiamo raffreddarli e riscaldarli e smontare il risonatore e rimontarlo, e funzionano ancora." La maggior parte degli emettitori quantistici deve essere mantenuta refrigerata a -273°C ma la nuova tecnologia funziona fino a -70°C. "Non siamo ancora a temperatura ambiente, "dice Strauf, "ma gli esperimenti attuali mostrano che è possibile arrivarci".